JP2010073971A - Nonvolatile semiconductor memory cell and nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory cell and nonvolatile semiconductor memory device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor memory device which reduces an area for layout and improves the reliability of memory storage. <P>SOLUTION: In the nonvolatile semiconductor memory cell, a first selection transistor, two floating gate type memory devices and a second selection transistor are sequentially connected in series, and drains and sources for the respective elements are arranged in series in a transistor forming part 220 as a layout. An n+ type diffused layer 219 as a control gate electrode of the memory device is placed in parallel to the transistor forming part, polysilicons 203a and 203b as a floating gate of the memory device are placed in a direction crossing vertically the transistor forming part 220 and the n+ type diffused layer 219, and polysilicons 214a and 214b as the gate electrode of the first and second selection transistors are placed in a direction crossing vertically the transistor forming part 220. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、主に不揮発性半導体メモリ装置に関し、特に、記憶データの信頼性を高めるメモリ素子、及び該メモリ素子を備える不揮発性半導体メモリ装置に関する。   The present invention mainly relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a memory element that increases the reliability of stored data and a nonvolatile semiconductor memory device including the memory element.

EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)に代表される不揮発性半導体メモリ装置は、電源の供給を停止しても記憶した情報が消えないことから、多くの用途に用いられている。例えば、EEPROMの代表的な用途としては、大容量ファイル用途のNAND型フラッシュメモリ、携帯電話等の記憶制御に用いるNOR型フラッシュメモリであり、また、EEPROMの代表的な用途としては、ICカードがある。   Nonvolatile semiconductor memory devices represented by EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) are used in many applications because stored information does not disappear even when power supply is stopped. For example, typical applications of EEPROM are NAND flash memory for large-capacity file applications, NOR type flash memory used for storage control of cellular phones, etc., and typical applications of EEPROM are IC cards. is there.

また、いつでも用途に応じて書き換えができる便利さから、マイコン内のマスクROM(Read Only Memory)の置き換えとしてEEPROMやフラッシュメモリが使われている。更に、近年では、システムLSIや、論理ICの内部メモリとして不揮発性メモリを取り込んだ、埋め込み型の所謂、ロジック混載メモリ(Embedded Memory)が使用されている。更に、アナログ回路に組み込んで、高精度のアナログ回路のチューニング等を行うための調整用スイッチとして、数百ビットから数Kビット程度の小規模の不揮発性メモリも使用されている。   Moreover, EEPROM and flash memory are used as a replacement for a mask ROM (Read Only Memory) in a microcomputer because of the convenience of rewriting according to the application at any time. Further, in recent years, embedded type so-called embedded memory, which incorporates a nonvolatile memory as an internal memory of a system LSI or logic IC, has been used. Furthermore, a small-sized non-volatile memory of about several hundred bits to several K bits is also used as an adjustment switch that is incorporated in an analog circuit and performs tuning and the like of a high-precision analog circuit.

図19は、従来例として、不揮発性半導体メモリセル9を示す概略図である。図19(a)は、不揮発性半導体メモリセル9の等価回路を示し、(b)は、不揮発性半導体メモリセル9のレイアウトの構成を示す概略図であり、(c)は、(b)のA9−A’9に沿った断面構造を示す概略図であり、(d)は、(b)のB9−B’9に沿った断面構造を示す概略図である。
図19(a)に示すように、不揮発性半導体メモリセル9は、トランジスタTr9、ドレイン端子D、ソース端子S、コントロールゲート端子CG、コントロールゲート端子CGに接続されたフローティングゲートFG、及びコントロールゲートとフローティングゲートFGとの間のキャパシタC(FC)を有する。
FIG. 19 is a schematic diagram showing a nonvolatile semiconductor memory cell 9 as a conventional example. 19A shows an equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory cell 9, FIG. 19B is a schematic diagram showing a layout configuration of the nonvolatile semiconductor memory cell 9, and FIG. 19C shows the layout of FIG. It is the schematic which shows the cross-sectional structure along A9-A'9, (d) is the schematic which shows the cross-sectional structure along B9-B'9 of (b).
As shown in FIG. 19A, the nonvolatile semiconductor memory cell 9 includes a transistor Tr9, a drain terminal D, a source terminal S, a control gate terminal CG, a floating gate FG connected to the control gate terminal CG, and a control gate. A capacitor C (FC) is provided between the floating gate FG.

構造的には、図19(b)〜(d)に図示するように、p型半導体基板900上に形成されたn型ウェル901、n型ウェル901上に形成されたn+型拡散領域902、フローティングゲートFGとなるポリシリコン903、トランジスタTr9のドレインとなるn+型拡散層904、トランジスタTr9のソースとなるn+型拡散層905、トランジスタTr9のゲート領域部906、トランジスタTr9のソースにコンタクト907bを介して接続され、ソース端子Sに相等するメタル配線908、トランジスタTr9のドレインにコンタクト907aを介して接続され、ドレイン端子Dに相等するメタル配線909、トランジスタTr9のチャネルが形成されるゲート領域部910、n+拡散領域902にコンタクト912a、912bを介して接続されるコントロールゲートとなるメタル配線911、不揮発性半導体メモリセル9の分離用フィールド酸化膜913により構成される。   Structurally, as shown in FIGS. 19B to 19D, an n-type well 901 formed on a p-type semiconductor substrate 900, an n + type diffusion region 902 formed on the n-type well 901, Polysilicon 903 to be the floating gate FG, n + -type diffusion layer 904 to be the drain of the transistor Tr9, n + -type diffusion layer 905 to be the source of the transistor Tr9, the gate region portion 906 of the transistor Tr9, and the source of the transistor Tr9 via the contact 907b A metal wiring 908 equivalent to the source terminal S, a metal wiring 909 equivalent to the drain terminal D connected to the drain of the transistor Tr9 via the contact 907a, and a gate region portion 910 in which a channel of the transistor Tr9 is formed, Contacts 912a, 91 in the n + diffusion region 902 Metal wiring 911 becomes a control gate connected via a b, constituted by preparative field oxide film 913 of a nonvolatile semiconductor memory cell 9.

図20は、不揮発性半導体メモリセル9の書き込み動作、消去動作及び読み出し動作における各端子の電圧関係を示す図である。図示されるように、書き込みには2通りの方法、書き込み1と書き込み2とがある。   FIG. 20 is a diagram showing the voltage relationship between the terminals in the write operation, erase operation, and read operation of the nonvolatile semiconductor memory cell 9. As shown in the figure, there are two methods of writing, writing 1 and writing 2.

(書き込み1の動作)
書き込み1の動作は、コントロールゲート端子CGに7Vの電圧を印加し、ドレイン端子Dに5Vの電圧を印加し、ソース端子S及び半導体基板900に0Vの電圧を印加して行う。これにより、カップリング用のキャパシタC(FC)によって、後述するカップリング比の設定により、フローティングゲートFGの電圧が約4.2V位になり、トランジスタTr9のチャネルがオンする。このとき、ドレイン端子Dに5Vが印加されているので、トランジスタTr9は、飽和領域での動作となり過剰電圧が印加されるので、ドレイン付近ではチャネル電流と共に、高エネルギーを有する電子であるホットエレクトロンが発生する。フローティングゲートFGには、ホットエレクトロンが注入されて蓄積される。このように、フローティングゲートFGに電子が注入されて蓄積されると、不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が初期状態より高い電圧に変化する。不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が初期状態より高い電圧に変化した状態を書き込み状態という。
(Operation of write 1)
The write 1 operation is performed by applying a voltage of 7 V to the control gate terminal CG, applying a voltage of 5 V to the drain terminal D, and applying a voltage of 0 V to the source terminal S and the semiconductor substrate 900. As a result, the voltage of the floating gate FG becomes about 4.2 V by the coupling capacitor C (FC) and the setting of the coupling ratio described later, and the channel of the transistor Tr9 is turned on. At this time, since 5 V is applied to the drain terminal D, the transistor Tr9 operates in the saturation region and an excessive voltage is applied. Therefore, near the drain, hot electrons, which are electrons having high energy, are generated together with the channel current. appear. Hot electrons are injected and accumulated in the floating gate FG. Thus, when electrons are injected and accumulated in the floating gate FG, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 changes to a voltage higher than the initial state. A state in which the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is changed to a voltage higher than the initial state is referred to as a write state.

(書き込み2の動作)
書き込み2の動作は、コントロールゲート端子CGに12Vの電圧を印加し、ドレイン端子D、ソース端子S及び半導体基板900に0Vの電圧を印加して行う。これにより、p型半導体基板900とフローティングゲートFGとの間に高電界が加わり、ファウラーノルトハイム(Fowler-Nordheim)電流(以下、FN電流という)により電子がゲート酸化膜を抜けて、チャネルからフローティングゲートに注入され、蓄積される。これにより、不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧は、高くなり、データが書き込まれた状態(以下、書き込み状態という。)となる。
(Operation of write 2)
The operation of writing 2 is performed by applying a voltage of 12V to the control gate terminal CG and applying a voltage of 0V to the drain terminal D, the source terminal S, and the semiconductor substrate 900. As a result, a high electric field is applied between the p-type semiconductor substrate 900 and the floating gate FG, and electrons pass through the gate oxide film due to Fowler-Nordheim current (hereinafter referred to as FN current) and float from the channel. It is injected into the gate and accumulated. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is increased, and the data is written (hereinafter referred to as a written state).

(消去1の動作)
消去1の動作は、コントロールゲート端子CGに0Vの電圧を印加し、ドレイン端子D、ソース端子S及びp型半導体基板900に10Vの電圧を印加して行う。これにより、p型半導体基板900とフローティングゲートFGとの間に高電界が加わり、FN電流が流れると共に、フローティングゲートFGから電子が半導体基板に放出される。これにより、不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が下がる。不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が、初期状態より低い電圧に変化しデータが消去された状態(以下、消去状態という)となる。
(Operation of erase 1)
The erase 1 operation is performed by applying a voltage of 0 V to the control gate terminal CG and applying a voltage of 10 V to the drain terminal D, the source terminal S, and the p-type semiconductor substrate 900. As a result, a high electric field is applied between the p-type semiconductor substrate 900 and the floating gate FG, an FN current flows, and electrons are emitted from the floating gate FG to the semiconductor substrate. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is lowered. The threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 changes to a voltage lower than that in the initial state and data is erased (hereinafter referred to as erased state).

(消去2の動作)
消去2の動作は、ソース端子Sに8Vの電圧を印加し、コントロールゲート端子CG、ドレイン端子D及びp型半導体基板900に0Vの電圧を印加して行う。これにより、ソース付近に高電界が加わり、FN電流とホットホールとが発生し、フローティングゲートFGから電子が放出される。これにより、メモリ素子9の閾値電圧が下がり、消去状態になる。
(Erase 2 operation)
The erase 2 operation is performed by applying a voltage of 8V to the source terminal S and applying a voltage of 0V to the control gate terminal CG, the drain terminal D and the p-type semiconductor substrate 900. As a result, a high electric field is applied in the vicinity of the source, an FN current and a hot hole are generated, and electrons are emitted from the floating gate FG. As a result, the threshold voltage of the memory element 9 is lowered and an erased state is entered.

(読み出し)
読み出しは、コントロールゲート端子CGに3Vの電圧を印加し、ドレイン端子Dに1Vの電圧を印加して行う。
なお、読み出し時にコントロールゲート端子CGに印加される電圧(3V)に対して不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が高い状態(書き込み状態)の場合をデータ”0”が記憶されているとし、不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧が低い状態(消去状態)の場合を”1”が記憶されているとする。
(reading)
Reading is performed by applying a voltage of 3V to the control gate terminal CG and applying a voltage of 1V to the drain terminal D.
Note that data “0” is stored when the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is higher than the voltage (3 V) applied to the control gate terminal CG at the time of reading (write state). It is assumed that “1” is stored when the threshold voltage of the volatile semiconductor memory cell 9 is low (erased state).

次に、図21は、不揮発性半導体メモリセル9が書き込み状態の場合の静特性を模式的に示すグラフである。縦軸方向は、ドレイン電流Idを示し、横軸方向は、ドレイン電圧Vdを示している。ドレイン電圧Vdとドレイン電流Idとの関係である静特性は、実線で示されている。ドレインに印加する電圧をVBDまで上昇させる過程では、ホットエレクトロンが発生し、発生したホットエレクトロンがフローティングゲートFGに注入される。これにより、フローティングゲートFGの電位が下がり、見かけ上、閾値電圧が高くなる。閾値電圧が高くなると、ドレイン電流は、急激に減少する。更にドレイン電圧を上げてVBDに達すると、ブレークダウンが起こり、ドレイン電流は急激に増加する。   Next, FIG. 21 is a graph schematically showing static characteristics when the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is in a write state. The vertical axis direction represents the drain current Id, and the horizontal axis direction represents the drain voltage Vd. The static characteristic that is the relationship between the drain voltage Vd and the drain current Id is indicated by a solid line. In the process of raising the voltage applied to the drain to VBD, hot electrons are generated, and the generated hot electrons are injected into the floating gate FG. As a result, the potential of the floating gate FG is lowered, and the threshold voltage is apparently increased. As the threshold voltage increases, the drain current decreases rapidly. When the drain voltage is further increased to reach VBD, breakdown occurs and the drain current increases rapidly.

負荷線が2つ図示されているが、通常はNMOS負荷1のように不揮発性半導体メモリセル9の負荷を設定し、図示する動作点1を書き込み動作の電圧とする。NMOS負荷2と図示するように負荷を設定すると、書き込み動作の電圧は、動作点2で図示される電圧となる。動作点2の状態で書き込みを行う場合、不揮発性半導体メモリセル9がブレークダウンしている領域で書き込み動作を行うため、ホットエレクトロンが非常に多く発生するので、書き込み特性は良くなる。一方、ホットホールも非常に多く発生するために、信頼性的には好ましくなく、大電流が流れるために制御が困難になるという問題がある。このため、大電流が流れずに書き込みを行える動作点1に示されるようなポイントを書き込み動作に用いることが好ましい。   Although two load lines are illustrated, normally, the load of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is set like the NMOS load 1 and the illustrated operating point 1 is used as the voltage for the write operation. When the load is set as illustrated with the NMOS load 2, the voltage of the write operation becomes the voltage illustrated at the operating point 2. When writing is performed in the state of the operating point 2, since the writing operation is performed in the area where the nonvolatile semiconductor memory cell 9 is broken down, hot electrons are generated so that the writing characteristics are improved. On the other hand, since a large number of hot holes are generated, there is a problem that it is not preferable in terms of reliability, and control is difficult because a large current flows. For this reason, it is preferable to use the point shown in the operation point 1 where writing can be performed without flowing a large current for the writing operation.

図22は、ホットエレクトロンをフローティングゲートFGに注入する書き込み特性を模式的に示すグラフである。縦軸方向は、不揮発性半導体メモリセル9の閾値電圧を示し、横軸方向は、書き込み時間の対数(log)を示している。ドレイン電圧をパラメータとしてとり、ドレイン電圧が高い場合(VDh)とドレイン電圧が低い場合(VDl)とを比較している。VCGで示される電圧は、読み出し動作において不揮発性半導体メモリセル9のコントロールゲート端子CGに印加される読み出し電圧である。ドレイン電圧が高い場合は、ドレイン電圧が低い場合に比べ、閾値電圧を短時間で変化させることができる。   FIG. 22 is a graph schematically showing write characteristics for injecting hot electrons into the floating gate FG. The vertical axis direction represents the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 9, and the horizontal axis direction represents the logarithm (log) of the write time. Using the drain voltage as a parameter, the case where the drain voltage is high (VDh) and the case where the drain voltage is low (VDl) are compared. A voltage indicated by VCG is a read voltage applied to the control gate terminal CG of the nonvolatile semiconductor memory cell 9 in the read operation. When the drain voltage is high, the threshold voltage can be changed in a shorter time than when the drain voltage is low.

書き込み2の動作は、ファウラーノルトハイムのトンネル効果による書き込みである。コントロールゲート端子CGに12Vの電圧を印加し、ドレイン端子D、ソース端子S及び半導体基板900に0Vの電圧を印加して行う。フローティングゲートFGの電位は、7.2Vとなり、ソース、ドレインあるいはチャネル領域からフローティングゲートFGに電子が注入されて蓄積される。
図23は、ファウラーノルトハイムのトンネル効果による書き込み特性を模式的に示すグラフである。縦軸方向は、閾値電圧を示し、横軸方向は、書き込み時間の対数(log)を示している。閾値電圧は、書き込み時間(logt)に対して直線的に増加する。
The operation of writing 2 is writing by the tunnel effect of Fowler-Nordheim. A voltage of 12 V is applied to the control gate terminal CG, and a voltage of 0 V is applied to the drain terminal D, the source terminal S, and the semiconductor substrate 900. The potential of the floating gate FG is 7.2 V, and electrons are injected from the source, drain, or channel region into the floating gate FG and accumulated.
FIG. 23 is a graph schematically showing the writing characteristics by the tunnel effect of Fowler-Nordheim. The vertical axis direction represents the threshold voltage, and the horizontal axis direction represents the logarithm (log) of the writing time. The threshold voltage increases linearly with respect to the writing time (logt).

図24は、消去1の特性を模式的に示すグラフである。縦軸方向は、閾値電圧を示し、横軸方向は、書き込み時間の対数(log)を示す。図示するように、前述の書き込み特性と逆の特性となる。消去1の動作は、コントロールゲート端子CGに0Vの電圧を印加し、ドレイン端子D、ソース端子S及びp型半導体基板に10Vの電圧を印加して行う。
なお、読み出し動作においてコントロールゲートに印加する電圧をVCGすると、VCGより、閾値電圧が高い領域を書き込み状態、低い領域を消去状態という。
FIG. 24 is a graph schematically showing the characteristics of erase 1. The vertical axis represents the threshold voltage, and the horizontal axis represents the logarithm (log) of the writing time. As shown in the figure, the characteristics are opposite to the above-mentioned write characteristics. The erase 1 operation is performed by applying a voltage of 0 V to the control gate terminal CG and applying a voltage of 10 V to the drain terminal D, the source terminal S, and the p-type semiconductor substrate.
Note that when the voltage applied to the control gate in the read operation is VCG, a region having a higher threshold voltage than the VCG is referred to as a write state, and a region having a lower threshold voltage is referred to as an erase state.

図25は、消去時にVCG=0Vとしたときの、ドレインに印加するドレイン電圧に対するドレイン電流の特性を模式的に示すグラフである。縦軸方向は、ドレイン電流を示し、横軸方向は、ドレイン電圧を示している。ドレインに印加する電圧を徐々に高くすると、ドレイン近傍に空乏層の電界集中が起こり、いわゆる高エネルギーによりBtoB(Band to Band)電流(バンド・バンド間電流)が流れ、ホールと電子のペアが発生する。高エネルギーを有する正孔であるホットホールの一部がフローティングゲートFGに取り込まれる。更に電圧を上げると、ドレインとフローティングゲートFGとの間の酸化膜に過電界が加わり、ファウラーノルトハイムのトンネル電流が流れ、フローティングゲートFGからドレインへ電子が放出される。続いて電圧を上げると、ジャンクションブレークダウンが起こり、大電流がドレインとp型半導体基板との間に流れる。このブレークダウン電圧をVBDという。消去の特性としては、図24と同様の特性が得られる。
書き込み、消去を行うと、フローティングゲートFG内の電子の数が増減し、その結果、閾値電圧が変化する。
FIG. 25 is a graph schematically showing the characteristics of the drain current with respect to the drain voltage applied to the drain when VCG = 0 V at the time of erasing. The vertical axis direction represents the drain current, and the horizontal axis direction represents the drain voltage. When the voltage applied to the drain is gradually increased, electric field concentration in the depletion layer occurs in the vicinity of the drain, and so-called high energy causes a B to B (Band to Band) current (band-to-band current) to flow, generating a hole-electron pair. To do. A part of hot holes which are holes having high energy is taken into the floating gate FG. When the voltage is further increased, an over electric field is applied to the oxide film between the drain and the floating gate FG, a Fowler-Nordheim tunnel current flows, and electrons are emitted from the floating gate FG to the drain. When the voltage is subsequently raised, a junction breakdown occurs and a large current flows between the drain and the p-type semiconductor substrate. This breakdown voltage is referred to as VBD. As the erasing characteristics, the same characteristics as in FIG. 24 are obtained.
When writing or erasing is performed, the number of electrons in the floating gate FG increases or decreases, and as a result, the threshold voltage changes.

図26は、初期状態、書き込み状態及び消去状態のゲート電圧とドレイン電流との特性(Vg−Id特性)の一例を模式的に示すグラフである。初期状態の閾値電圧は0.5Vであり、書き込み動作を行うと閾値電圧は高くなり、5Vに閾値電圧が変化する。また、消去動作を行うと閾値電圧は低くなり、−3Vへと負の値に閾値電圧が変化する。   FIG. 26 is a graph schematically showing an example of the characteristics (Vg-Id characteristics) between the gate voltage and the drain current in the initial state, the written state, and the erased state. The threshold voltage in the initial state is 0.5V, and when the write operation is performed, the threshold voltage increases and the threshold voltage changes to 5V. Further, when the erasing operation is performed, the threshold voltage becomes low, and the threshold voltage changes to -3V to a negative value.

図27は、不揮発性半導体メモリセル9のカップリング系の等価回路を示す図である。コントロールゲート端子CGに印加される電位をVCG、コントロールゲート端子CGとフローティングゲートFGの静電容量をC(FC)、ソースSに印加される電位をVS、ソースSとフローティングゲートFGとの間の静電容量をC(FS)、半導体基板SUBに印加される電位をVsub、半導体基板SUBとフローティングゲートFGとの間の静電容量をC(FB)、ドレインDに印加される電位をVD、ドレインDとフローティングゲートFGとの間の静電容量をC(FD)、フローティングゲートに印加される電位をVFGとする。
フローティングゲートFGの状態が初期状態(中性状態)のとき、この系のトータルチャージは、ゼロであるから次式(1)が成り立つ。
FIG. 27 is a diagram showing an equivalent circuit of a coupling system of the nonvolatile semiconductor memory cell 9. The potential applied to the control gate terminal CG is VCG, the capacitance of the control gate terminal CG and the floating gate FG is C (FC), the potential applied to the source S is VS, and the potential between the source S and the floating gate FG is The electrostatic capacity is C (FS), the potential applied to the semiconductor substrate SUB is Vsub, the electrostatic capacity between the semiconductor substrate SUB and the floating gate FG is C (FB), and the potential applied to the drain D is VD, The capacitance between the drain D and the floating gate FG is C (FD), and the potential applied to the floating gate is VFG.
When the state of the floating gate FG is the initial state (neutral state), the total charge of this system is zero, so the following equation (1) holds.

Figure 2010073971
Figure 2010073971

この系の総静電容量をCTとすると、CTは次式(2)で表される。   When the total capacitance of this system is CT, CT is expressed by the following equation (2).

Figure 2010073971
Figure 2010073971

式(2)を用いて、式(1)をVFGについて変形すると次式(3)と表せる。   When Expression (1) is transformed with respect to VFG using Expression (2), it can be expressed as the following Expression (3).

Figure 2010073971
Figure 2010073971

ここで、C(FD)=C(FS)≒0,Vsub=VS=0とすると、式(3)は次式(4)のように表される。   Here, assuming that C (FD) = C (FS) ≈0 and Vsub = VS = 0, Expression (3) is expressed as the following Expression (4).

Figure 2010073971
Figure 2010073971

ここで、C(FG)/{C(FC)}+C(FB)=α(カップリング比)とすると、式(4)は、次式(5)で表される。   Here, when C (FG) / {C (FC)} + C (FB) = α (coupling ratio), Expression (4) is expressed by the following Expression (5).

Figure 2010073971
Figure 2010073971

通常α≒0.6に設定し、フローティングゲートFGなどの静電容量を定めて、不揮発性半導体メモリセルの設計を行う。   Normally, α≈0.6 is set, and the capacitance of the floating gate FG and the like is determined, and the nonvolatile semiconductor memory cell is designed.

このような、電荷保持型の不揮発性半導体メモリセルには、フローティングゲートからの電荷が抜ける電荷抜けにより、記憶されているデータが維持できなくなる信頼性の低下という問題がある。   Such a charge-holding nonvolatile semiconductor memory cell has a problem that the stored data cannot be maintained due to the loss of charge from which the charge from the floating gate is lost.

図28に、電荷保持(データリテンション)特性を示す。縦軸方向は、閾値電圧を示し、横軸方向は時間の対数(log)を示している。酸化膜には欠陥等があり、その欠陥からフローティングゲート内に蓄積されている電荷が微小に放出されると、書き込みセル(電子が初期状態よりも多く蓄積されている状態)及び消去セル(電子が初期状態より電子が少ない状態、換言すれば、正孔が注入され蓄積されている状態)は、時間の経過と共に、初期状態(中性状態、フローティングゲート内に電荷の偏りがない状態)の閾値電圧に漸近する。この時間経過と共にフローティングゲートに蓄積された電荷が抜ける不良は、酸化膜の欠陥による不良なので、製造過程における酸化膜の欠陥のあるメモリセルとないメモリセルとが混在する。また、別の不良の要因としては、書き込み及び消去の動作を繰り返して行う過程で酸化膜が劣化して、同様の不良が発生するケースもある。   FIG. 28 shows charge retention (data retention) characteristics. The vertical axis direction represents the threshold voltage, and the horizontal axis direction represents the logarithm (log) of time. There are defects in the oxide film, and when a small amount of charge accumulated in the floating gate is released from the defect, a write cell (a state in which more electrons are accumulated than in the initial state) and an erase cell (electron) Is a state where there are fewer electrons than the initial state, in other words, a state where holes are injected and accumulated), with the passage of time, the initial state (neutral state, state where there is no charge bias in the floating gate) Asymptotically approach the threshold voltage. The defect in which the charge accumulated in the floating gate is released with the passage of time is a defect due to an oxide film defect, and therefore, a memory cell having an oxide film defect and a memory cell having no defect are mixed in the manufacturing process. Another cause of the failure is that the oxide film deteriorates in the process of repeatedly performing the write and erase operations, and the same failure occurs.

このような問題の解決方法として、図29に示すような回路がある(特許文献1)。電荷保持型のメモリ素子Tr92、Tr93と2つ備えることにより、一方のメモリ素子が不良となっても、他方が正常に動作するならば、メモリセルとしてデータを保持できるというものである。
特許第2685966号公報
As a method for solving such a problem, there is a circuit as shown in FIG. 29 (Patent Document 1). By providing two charge holding memory elements Tr92 and Tr93, even if one of the memory elements becomes defective, data can be held as a memory cell if the other operates normally.
Japanese Patent No. 2685966

しかしながら、従来例の不揮発性半導体メモリセルのように複数のメモリ素子を並列に配置する構成は、レイアウト面積が大きくなるという問題がある。   However, the configuration in which a plurality of memory elements are arranged in parallel like the conventional nonvolatile semiconductor memory cell has a problem that the layout area becomes large.

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、レイアウト面積を削減し、且つ、記憶保持の信頼性を向上する不揮発性半導体メモリ装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that reduces the layout area and improves the reliability of memory retention.

(1)上記問題を解決するために、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる不揮発性半導体メモリセルであって、ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子が接続された第1の選択トランジスタと、ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタとを有し、前記第1の選択トランジスタのソースと前記第1のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、前記第1のメモリ素子のソースと前記第2のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、前記第2のメモリ素子のソースと前記第2の選択トランジスタのドレインとを構成するn型拡散層は共用されることを特徴とする不揮発性半導体メモリセルである。   (1) In order to solve the above problem, the present invention is a non-volatile semiconductor memory cell comprising a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, wherein the first terminal is connected to the drain and the first is connected to the gate. A first select transistor connected to a select terminal; a first memory element having a drain connected to a source of the first select transistor; a control gate connected to a control gate terminal; and a drain connected to the first select transistor. A source of the memory element is connected, a second memory element having the control gate connected to the control gate terminal, a drain connected to the source of the second memory element, and a source connected to the second terminal; A second select transistor having a gate connected to a second select terminal, and a source of the first select transistor; The n-type diffusion layer constituting the drain of the first memory element is shared, and the n-type diffusion layer constituting the source of the first memory element and the drain of the second memory element is shared, The nonvolatile semiconductor memory cell is characterized in that the n-type diffusion layer constituting the source of the second memory element and the drain of the second selection transistor is shared.

(2)また、本発明は、上記記載の発明において、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子は、1層のポリシリコンで形成されたフローティングゲート型のトランジスタであることを特徴とする。   (2) Further, the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the first memory element and the second memory element are floating gate type transistors formed of one layer of polysilicon. To do.

(3)また、本発明は、上記記載の発明において、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子は、2層のポリシリコン形成されたフローティングゲート型のトランジスタであることを特徴とする。   (3) In the present invention described above, the first memory element and the second memory element are floating gate transistors formed of two layers of polysilicon. .

(4)また、本発明は、上記記載の発明において、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子にデータを記憶させる場合、前記第2の端子と前記半導体基板に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子に第1の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に前記第1の電圧以上の電圧を印加して前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにし、前記コントロールゲート端子に第2の電圧を印加し、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのドレイン−ソース間に流れる電流によりホットエレクトロンを発生させ、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートに電子が注入され蓄積されるか、あるいは、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第3の電圧を印加して前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにし、前記コントロールゲート端子に第4の電圧を印加し、前記第1のメモリ素子のフローティングゲートからドレインに流れるファウラーノルトハイムのトンネル電流により、該フローティングゲートに電子が注入され蓄積されると共に、前記第2のメモリ素子のフローティングゲートからソースに流れるファウラーノルトハイムのトンネル電流により、該フローティングゲートに電子が注入され蓄積され、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子が記憶するデータを消去する場合、前記コントロールゲート端子に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子、前記第2の端子、及び前記半導体基板に前記第4の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第8の電圧を印加し、前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記半導体基板から前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させるか、あるいは、前記半導体基板及び前記コントロールゲート端子に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子及び前記第2の端子に第5の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に前記第8の電圧を印加し、前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させ、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子に記憶されているデータを読み出す場合、前記第2の端子及び前記半導体基板に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子に第6の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第7の電圧を印加し、前記コントロールゲート端子に読み出し電圧を印加し、前記第1の端子と前記第2の端子との間に電流が流れるか否かで記憶されているデータを読み出すことを特徴とする。   (4) In the present invention described above, when data is stored in the first memory element and the second memory element, the potential applied to the second terminal and the semiconductor substrate is used as a reference. When the potential is set, the first voltage is applied to the first terminal, the voltage higher than the first voltage is applied to the first select terminal and the second select terminal, and the first selection is performed. A transistor and the second selection transistor are turned on, a second voltage is applied to the control gate terminal, and hot electrons are generated by currents flowing between the drain and the source of the first memory element and the second memory element, respectively. And electrons are injected and accumulated in the floating gates of the first memory element and the second memory element, respectively, or the first cell element is stored. A third voltage is applied to the first select terminal and the second select terminal to turn on the first select transistor and the second select transistor, a fourth voltage is applied to the control gate terminal, and A Fowler-Nordheim tunneling current flowing from the floating gate to the drain of one memory element causes electrons to be injected and stored in the floating gate, and a Fowler-Nordheim tunnel flowing from the floating gate to the source of the second memory element. When electrons are injected and accumulated in the floating gate due to current, and the data stored in the first memory element and the second memory element are erased, the potential applied to the control gate terminal is set as a reference potential , The first terminal, the second terminal, and the half Applying the fourth voltage to the body substrate, applying the eighth voltage to the first select terminal and the second select terminal, and turning on the first select transistor and the second select transistor; Then, a Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow from the semiconductor substrate to the floating gates of the first memory element and the second memory element to emit electrons from the floating gate, or the semiconductor substrate and the semiconductor memory When the potential applied to the control gate terminal is a reference potential, a fifth voltage is applied to the first terminal and the second terminal, and the first voltage is applied to the first select terminal and the second select terminal. 8 is applied to turn on the first selection transistor and the second selection transistor, and A Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow from the drain and the source of the second memory element to the respective floating gates, electrons are emitted from the floating gates, and the electrons are stored in the first memory element and the second memory element. When the potential applied to the second terminal and the semiconductor substrate is a reference potential, a sixth voltage is applied to the first terminal, and the first select terminal and the first terminal are read out. A seventh voltage is applied to the second select terminal, a read voltage is applied to the control gate terminal, and whether or not a current flows between the first terminal and the second terminal is stored. It is characterized by reading data.

(5)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルであって、前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層とが順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に、且つ、前記第2のポリシリコン及び前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線とを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリセルである。   (5) The present invention also provides a first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, a first selection transistor which is a MOS transistor for selecting the memory element, A non-volatile semiconductor memory cell composed of two select transistors, a first n-type diffusion layer forming a drain of the first select transistor, and a first electrode forming a gate electrode of the first select transistor 1 polysilicon, a second n-type diffusion layer forming the source of the first selection transistor and the drain of the first memory element, and a second forming the floating gate electrode of the first memory element. Polysilicon, a third n-type diffusion layer forming a source of the first memory element and a drain of the second memory element, and the second memory element. A third polysilicon for forming a floating gate electrode of the second element; a fourth n-type diffusion layer for forming a source of the second memory element and a drain of the second selection transistor; and the second selection. A transistor forming portion in which a fourth polysilicon forming a gate electrode of a transistor and a fifth n-type diffusion layer forming a source of the second selection transistor are arranged in series in order; and the transistor forming portion A sixth diffusion layer disposed in parallel with the second polysilicon and the third polysilicon in the series direction and connected to the sixth diffusion layer via a contact And a first metal wiring arranged in the series direction. The nonvolatile semiconductor memory cell.

(6)また、本発明は、上記記載の発明において、前記第6の拡散層は、ウェル構造によるn型拡散層であることを特徴とする。   (6) Further, the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the sixth diffusion layer is an n-type diffusion layer having a well structure.

(7)また、本発明は、上記記載の発明において、前記第6の拡散層は、p型半導体基板上に敷かれたn+型拡散層であるか、あるいは、p型半導体基板上にディプリーションタイプのトランジスタを形成する際のチャネルインプラによるn型拡散層であることを特徴とする。   (7) Further, according to the present invention, in the invention described above, the sixth diffusion layer is an n + type diffusion layer laid on a p-type semiconductor substrate, or a depletion on a p-type semiconductor substrate. It is an n-type diffusion layer formed by channel implantation when forming a field type transistor.

(8)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる複数の不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを備える不揮発性半導体メモリ装置であって、前記不揮発性半導体メモリセルは、ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタとを有すると共に、前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、マトリックス状に配置され、前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとにコントロールゲート線、ドレイン線及びソース線が設けられ、それぞれの前記コントロールゲート線には、該コントロールゲート線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記コントロールゲート端子全てが共通接続され、それぞれの前記ドレイン線には、該ドレイン線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記ドレイン端子全てが共通接続され、
それぞれの前記ソース線には、該ソース線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記ソース端子全てが共通接続され、前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線が設けられ、前記第1のセレクトゲート線には、該第1のセレクトゲート線が設けられた前記行の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のセレクトゲート端子全てが共通接続され、前記第2のセレクトゲート線には、該第2のセレクトゲート線が設けられた前記行の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記第2のセレクトゲート端子全てが共通接続されることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置である。
(8) According to another aspect of the present invention, there is provided a non-volatile semiconductor memory device including a memory cell array in which a plurality of non-volatile semiconductor memory cells made of MOS transistors formed on a semiconductor substrate are arranged, wherein the non-volatile semiconductor memory cell is The first terminal is connected to the drain, the first selection transistor is connected to the gate to the first select terminal, the source of the first selection transistor is connected to the drain, and the control gate terminal is connected to the control gate. A first memory element connected; a second memory element having a drain connected to a source of the first memory element; a control gate connected to the control gate terminal; and a drain connected to the second memory element. The source is connected, the second terminal is connected to the source, and the second select terminal is connected to the gate. The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix, and a control gate line and a drain are arranged for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in the matrix. A line and a source line, and all the control gate terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the control gate line are connected in common to each control gate line, and each drain All the drain terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the drain line are commonly connected to a line,
All the source terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the source line are commonly connected to each of the source lines, and the rows of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in the matrix form A first select gate line and a second select gate line are provided for each, and the first select gate line includes the nonvolatile semiconductor memory cells in the row in which the first select gate line is provided. All of the first select gate terminals having the second select gate line are commonly connected, and the second select gate line has the second select gate line provided in the non-volatile semiconductor memory cell in the row in which the second select gate line is provided. A nonvolatile semiconductor memory device is characterized in that all select gate terminals are commonly connected.

(9)また、本発明は、上記記載の発明において、前記半導体基板に印加する電圧を基準電圧として、選択された前記不揮発性半導体メモリセルにデータの書き込みを行う場合、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に第4の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第3の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子のフローティングゲートから前記半導体基板へファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートに電子が注入されて蓄積され、選択された前記不揮発性半導体メモリセルのデータの消去を行う場合、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第8の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に第5の電圧を印加し、前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させ、選択された不揮発性半導体メモリセルが記憶するデータを読み出す場合、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に第6の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第7の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに電流が流れるか否かで記憶されているデータを検出し、選択された前記行を構成する前記不揮発性半導体メモリセルに対して同時に書き込みを行うページ書き込みを行う場合、前記列ごとの前記コントロールゲート線全てに前記第4の電圧を印加し、前記選択された前記行に接続される前記第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線に前記第3の電圧を印加し、該列に接続される前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、該列を構成する前記不揮発性半導体メモリセルそれぞれの前記第1のメモリセル及び前記第2のメモリセルのフローティングゲートから前記半導体基板へファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートに電子が注入されて蓄積され、選択された前記行を構成する前記不揮発性半導体メモリセルに対して同時に消去を行うページ消去を行う場合、前記列ごとに設けられる前記コントロールゲート線全てに対して0Vの電圧を印加し、前記列ごとに設けられる全ての前記ドレイン線及び全ての前記ソース線に前記第5の電圧を印加し、選択された前記行に設けられる前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第8の電圧を印加し、該列を構成する前記不揮発性半導体メモリセルそれぞれが有する前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソース近傍に高電界を加えて、該メモリ素子のフローティングゲートにファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させることを特徴とする。   (9) According to the present invention, in the above-described invention, when data is written to the selected nonvolatile semiconductor memory cell using the voltage applied to the semiconductor substrate as a reference voltage, the nonvolatile semiconductor memory cell A fourth voltage is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and a third voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. Applying a voltage of 0 V to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, turning on the first selection transistor and the second selection transistor, and And a Fowler-Nordheim tunnel current from the floating gate of the second memory element to the semiconductor substrate, When erasing data of the selected nonvolatile semiconductor memory cell in which electrons are injected and stored in the gate, a voltage of 0 V is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, An eighth voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell A fifth voltage is applied to the first selection transistor, the first selection transistor and the second selection transistor are turned on, and the drain of the first memory element and the source of the second memory element are connected to the respective floating gates. A tunnel current of Fowler-Nordheim is passed, electrons are emitted from the floating gate, and selected nonvolatile When reading data stored in a semiconductor memory cell, a voltage of 0 V is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and a sixth voltage is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. A voltage is applied, a voltage of 0 V is applied to the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the first select gate line and the second select gate connected to the nonvolatile semiconductor memory cell A seventh voltage is applied to the line, the stored data is detected based on whether or not a current flows through the nonvolatile semiconductor memory cell, and the nonvolatile semiconductor memory cell constituting the selected row is detected. When page writing is performed simultaneously, the fourth voltage is applied to all the control gate lines for each column, and the selected voltage is applied. The third voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the row, and a voltage of 0 V is applied to the drain line and the source line connected to the column. Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow from the floating gates of the first and second memory cells of each of the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the column to the semiconductor substrate, and electrons are supplied to the floating gates. In the case of performing page erasure for simultaneously erasing the nonvolatile semiconductor memory cells that are implanted and stored and constitute the selected row, a voltage of 0 V is applied to all the control gate lines provided for each column. And applying the fifth voltage to all of the drain lines and all of the source lines provided for each column. The eighth voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line provided in the row, and each of the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the column has the first voltage. A high electric field is applied in the vicinity of the drain of the memory element and the source of the second memory element, a Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow through the floating gate of the memory element, and electrons are emitted from the floating gate. .

(10)また、本発明は、上記記載の発明において、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して該不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子の閾値電圧が予め設定された書き込み状態の閾値電圧以上に変化しているかベリファイを行う場合、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に前記第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第6の電圧より高い前記第7の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続されたコントロールゲート線に電圧を印加して、当該不揮発性半導体メモリセルに電流が流れたか否かで閾値電圧を検出することを特徴とする。   (10) Further, according to the present invention, in the above-described invention, the threshold values of the first memory element and the second memory element included in the nonvolatile semiconductor memory cell with respect to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. When verifying whether or not the voltage has changed to a threshold voltage higher than a preset write state, the sixth voltage is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the nonvolatile semiconductor memory A control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell by applying the seventh voltage higher than the sixth voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the cell. A threshold voltage is detected based on whether or not a current flows through the nonvolatile semiconductor memory cell.

(11)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルを複数配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記不揮発性半導体メモリセルは、前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層とが順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に配置され、且つ、前記第2のポリシリコン及び前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線とを備えると共に、前記メモリセルアレイの配置として、前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、マトリックス状に並べられて配置され、前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、それぞれ、前記直列方向に隣接する一方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第1のn型拡散層を共用し、更に、隣接する他方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第5のn型拡散層を共用し、前記直列方向に平行に配置された前記メモリ素子は、前記第1のメタル配線が直線状に共通接続され、前記第1のn型拡散層がコンタクトを介してドレイン線に共通接続され、前記第5のn型拡散層がコンタクトを介してソース線に共通接続され、前記直列方向に対して垂直方向に平行に配置された前記メモリ素子は、該垂直方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のポリシリコン及び前記第4のポリシリコンそれぞれが共通接続されることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置である。
(11) The present invention also provides a first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, a first selection transistor which is a MOS transistor for selecting the memory element, A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of non-volatile semiconductor memory cells including two selection transistors are arranged,
The nonvolatile semiconductor memory cell includes a first n-type diffusion layer that forms a drain of the first selection transistor, a first polysilicon that forms a gate electrode of the first selection transistor, and the first A second n-type diffusion layer that forms a source of the select transistor and a drain of the first memory element, a second polysilicon that forms a floating gate electrode of the first memory element, and the first A third n-type diffusion layer forming a source of the memory element and a drain of the second memory element; a third polysilicon forming a floating gate electrode of the second memory element; and the second memory. A fourth n-type diffusion layer forming a source of the element and a drain of the second selection transistor; and a fourth n-type forming a gate electrode of the second selection transistor. A transistor forming portion in which re-silicon and a fifth n-type diffusion layer that forms a source of the second selection transistor are sequentially arranged in a series direction, and arranged in the series direction in parallel with the transistor forming portion; and A sixth diffusion layer disposed at a position intersecting with the second polysilicon and the third polysilicon, and disposed in the series direction connected to the sixth diffusion layer via a contact. And a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells arranged in a matrix as the arrangement of the memory cell array, and the plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are respectively connected in series One non-volatile semiconductor memory cell adjacent in the direction and the first n-type diffusion layer are shared, and the other adjacent non-volatile semiconductor memory The memory element sharing the cell and the fifth n-type diffusion layer and arranged in parallel in the series direction has the first metal wiring connected in a straight line, and the first n-type diffusion layer Are connected in common to a drain line through a contact, the fifth n-type diffusion layer is connected in common to a source line through a contact, and the memory device arranged parallel to the direction perpendicular to the series direction is The nonvolatile semiconductor memory device is characterized in that the first polysilicon and the fourth polysilicon of the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the vertical direction are connected in common.

(12)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる複数の不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタとを有し、前記第1のメモリセル素子及び前記第2のメモリ素子に対してデータを書きこむ場合、前記第1のセレクトゲート信号及び前記第2のセレクトゲート信号前記メモリセルアレイは、前記不揮発性半導体メモリセルが行方向及び列方向にマトリックス状に配置され、前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記コントロールゲートに共通接続されたコントロールゲート線と、前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記ドレイン端子と共通接続されたドレイン線と、前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記ソース端子と共通接続されたソース線と、前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに前記第1のセレクトゲート端子に接続された第1のセレクトゲート線と、前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに前記第2のセレクトゲート端子に接続された第2のセレクトゲート線とを有し、前記ドレイン線とドレイン電源線との間に設けられた第1のスイッチと、前記ソース線とソース電源線との間に設けられた第2のスイッチと、前記コントロールゲート線と第1のゲート電源線との間に設けられた第3のスイッチと前記コントロールゲート線と第2のゲート電源線との間に設けられた第4のスイッチと、前記メモリセルアレイに含まれる前記不揮発性半導体メモリセルを選択するアドレス信号と、書き込み、消去及び読み出しのいずれかの動作を示す命令信号とが入力され、入力された前記アドレス信号と前記命令信号とに基づいて、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ及び前記第4のスイッチ、前記第1のゲート電源線、前記第2のゲート電源線、前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に電圧を印加して、前記アドレス信号で選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して前記命令信号に対応した動作を行う制御部と、を備えることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置である。   (12) The present invention is also a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells made of MOS transistors formed on a semiconductor substrate are arranged, wherein the plurality of nonvolatile semiconductor memories are The cell has a drain connected to the first terminal, a gate connected to the first select terminal, a drain connected to the source of the first select transistor, and a control gate connected to the control gate. A first memory element having a terminal connected thereto, a second memory element having a drain connected to a source of the first memory element, a control gate connected to the control gate terminal, and a drain connected to the second memory element; The source of the memory element is connected, the second terminal is connected to the source, and the second select is connected to the gate. And a second select transistor connected to a child, and when writing data to the first memory cell element and the second memory element, the first select gate signal and the second select transistor Select gate signal The memory cell array includes a control gate line in which the nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix in a row direction and a column direction, and is commonly connected to the control gate for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells; A drain line commonly connected to the drain terminal for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells, a source line commonly connected to the source terminal for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells, and the nonvolatile semiconductor memory cell A first select gate line connected to the first select gate terminal for each row, and the nonvolatile half A second switch gate line connected to the second select gate terminal for each row of the body memory cells, and a first switch provided between the drain line and the drain power supply line, A second switch provided between the source line and the source power supply line; a third switch provided between the control gate line and the first gate power supply line; the control gate line; A fourth switch provided between the gate power supply line, an address signal for selecting the nonvolatile semiconductor memory cell included in the memory cell array, and a command signal indicating any one of write, erase, and read operations And the first switch, the second switch, the third switch, and the fourth switch based on the input address signal and the command signal. A non-volatile circuit selected by the address signal by applying a voltage to the first gate power line, the second gate power line, the first select gate line, and the second select gate line; And a control unit that performs an operation corresponding to the command signal on the semiconductor memory cell.

(13)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる不揮発性半導体メモリセルであって、ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートに第1のコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに第2のコントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタとを有し、前記第1の選択トランジスタのソースと前記第1のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、前記第1のメモリ素子のソースと前記第2のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、前記第2のメモリ素子のソースと前記第2の選択トランジスタのドレインとを構成するn型拡散層は共用されることを特徴とする不揮発性半導体メモリセルである。   (13) The present invention also relates to a nonvolatile semiconductor memory cell comprising a MOS transistor formed on a semiconductor substrate, wherein the first terminal is connected to the drain and the first select terminal is connected to the gate. A first selection transistor; a first memory element having a drain connected to a source of the first selection transistor; a control gate connected to a first control gate terminal; and a drain connected to the first memory element. A second memory element having a source connected, a control gate connected to a second control gate terminal, a drain connected to the source of the second memory element, a source connected to the second terminal, and a gate; And a second select transistor connected to a second select terminal, the source of the first select transistor and the first select transistor The n-type diffusion layer constituting the drain of the memory element is shared, the n-type diffusion layer constituting the source of the first memory element and the drain of the second memory element is shared, and the second memory The non-volatile semiconductor memory cell is characterized in that the n-type diffusion layer constituting the source of the element and the drain of the second selection transistor is shared.

(14)また、本発明は、上記発明に記載の不揮発性半導体メモリセルを複数用いたメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、前記メモリセルアレイは、行方向及び列方向のマトリックス状に配置された複数の前記不揮発性半導体メモリセルと、前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記第1のコントロールゲート端子に共通接続されたコントロールゲート線と、前記マトリックス状に配置された列ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記ドレイン端子と共通接続されたドレイン線と、前記マトリックス状に配置された列ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記ソース端子と共通接続されたソース線と、前記マトリックス状に配置された行ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のセレクトゲート端子と共通接続された第1のセレクトゲート線と、前記マトリックス状に配置された行ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記第2のセレクトゲート端子と共通接続された第2のセレクトゲート線と、を有し、前記ドレイン線とドレイン電源線との間に設けられた第1のスイッチと、前記ソース線とソース電源線との間に設けられた第2のスイッチと、前記コントロールゲート線と第1のゲート電源線との間に設けられた第3のスイッチと、前記コントロールゲート線と第2のゲート電源線との間に設けられた第4のスイッチと、前記メモリセルアレイに含まれる前記不揮発性半導体メモリセルを選択するアドレス信号と、書き込み、消去及び読み出しのいずれかの動作を示す命令信号とが入力され、入力された前記アドレス信号及び前記命令信号に基づいて前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ及び前記第4のスイッチ、前記第1のゲート電源線、前記第2のゲート電源線、前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に電圧を印加して、前記アドレス信号で選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して前記命令信号に対応した動作を行う制御部と、を有し、前記行方向に隣接した前記不揮発性半導体メモリセルは、互いに前記コントロールゲート線を共有し、前記複数の不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のコントロールゲート端子と前記第2のコントロールゲート端子とは、互いに異なる前記コントロールゲート線に接続されることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置である。   (14) The present invention also provides a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array using a plurality of the nonvolatile semiconductor memory cells described in the above invention, wherein the memory cell array is arranged in a matrix in the row direction and the column direction. A plurality of the non-volatile semiconductor memory cells arranged; a control gate line commonly connected to the first control gate terminal for each column of the non-volatile semiconductor memory cells arranged in the matrix; and the matrix A drain line commonly connected to the drain terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell for each column arranged in common, and a common to the source terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell for each column arranged in a matrix The nonvolatile semiconductor is connected to each of the connected source lines and the rows arranged in the matrix. A first select gate line commonly connected to the first select gate terminal of the memory cell, and a common connection to the second select gate terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell for each row arranged in the matrix form A second switch provided between the source line and the source power line, and a first switch provided between the drain line and the drain power line. , A third switch provided between the control gate line and the first gate power supply line, and a fourth switch provided between the control gate line and the second gate power supply line And an address signal for selecting the non-volatile semiconductor memory cell included in the memory cell array and a command signal indicating any of write, erase, and read operations The first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch, the first gate power supply line, the second switch based on the input address signal and the command signal An operation corresponding to the command signal is applied to the nonvolatile semiconductor memory cell selected by the address signal by applying a voltage to the gate power supply line, the first select gate line, and the second select gate line. And the non-volatile semiconductor memory cells adjacent to each other in the row direction share the control gate line with each other, and the first non-volatile semiconductor memory cells have the first control gate terminal And the second control gate terminal are connected to different control gate lines from each other. It is a position.

(15)また、本発明は、上記記載の発明において、前記半導体基板に印加する電圧を基準電圧とし、書き込みの動作を行う場合、前記制御部は、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第1の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルと前記コントロールゲートを共用する前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線と、前記第2のセレクトゲート線とを近傍セレクトゲート線とし、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線と、前記近傍セレクトゲート線とに前記第1の電圧を印加し、予め定めた時間が経過後に前記近傍セレクトゲート線に印加する電圧を0Vに変更し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に第4の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子のドレイン付近及び前記第2のメモリ素子のソース付近に高電界を加え、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのコントロールゲートから前記半導体基板にファウラーノルトハイムのトンネル電流を発生させ、該メモリ素子それぞれのフローティングゲートに電子が注入されて蓄積されると共に、隣接する列の前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートには、カップリングにより電位を上げて加えられる電界を緩和し、誤書き込みを防ぎ、消去の動作を行う場合、前記制御部は、選択された不揮発性半導体メモリセルに接続された2つの前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第8の電圧を印加し、 選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に第5の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子のドレイン付近及び前記第2のメモリ素子のソース付近に高電界を加え、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのコントロールゲートにファウラーノルトハイムのトンネル電流を発生させ、該メモリ素子それぞれのフローティングゲートから電子を放出させ、読み出しの動作を行う場合、前記制御部は、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線に第7の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に前記第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルと前記コントロールゲート線を共用する前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線、前記第2のセレクトゲート線、前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vを印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに電流が流れるか否かで記憶されているデータを読み出し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して該不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子の閾値電圧が予め設定された書き込み状態の閾値電圧以上に変化しているかベリファイの動作を行う場合、前記制御部は、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第7の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に第6の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子のいずれか一方のメモリ素子にデータ読み出し時に印加する電圧より高い前記第1の電圧を印加し、他方のメモリ素子に閾値電圧を確認するための電圧を印加し、選択された不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート及び前記第2のセレクトゲートをオンにし、前記一方のメモリ素子をオンにし、前記他方のメモリ素子がオンになるか否かを流れる電流により検出することを特徴とする。   (15) Further, according to the present invention, in the above invention, when the voltage applied to the semiconductor substrate is a reference voltage and a write operation is performed, the control unit is connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. A first voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line, and a voltage of 0 V is applied to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. The first select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell sharing the control gate with the selected nonvolatile semiconductor memory cell and the second select gate line are used as neighboring select gate lines. The first voltage is applied to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell and the neighboring select gate line. A voltage applied to the neighboring select gate line after a predetermined time has elapsed is changed to 0 V, and a fourth voltage is applied to the control gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell, A high electric field is applied to the vicinity of the drain of the first memory element and the source of the second memory element of the selected non-volatile semiconductor memory cell, and the first memory element and the second memory element are respectively A Fowler-Nordheim tunnel current is generated from the control gate to the semiconductor substrate, electrons are injected and stored in the floating gate of each of the memory elements, and the first semiconductor memory cell in the adjacent column is stored. The floating gate of each of the memory element and the second memory element is electrically coupled by coupling. The control unit applies a voltage of 0 V to the two control gate lines connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell when the applied electric field is relaxed to prevent erroneous writing and erase operation. Applying the eighth voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell, and selecting the nonvolatile semiconductor memory cell A fifth voltage is applied to the drain line and the source line connected to each other, and near the drain of the first memory element and the source of the second memory element of the selected nonvolatile semiconductor memory cell. A high electric field is applied, and Fowler-Nordheim's drain from the drain of the first memory element and the source of the second memory element to each control gate. In the case of performing a read operation by generating a channel current, emitting electrons from the floating gates of the respective memory elements, the control unit includes the first select gate connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. A seventh voltage is applied to the line and the second select gate line, a sixth voltage is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the voltage is applied to the nonvolatile semiconductor memory cell. Applying a voltage of 0 V to the source line, applying the sixth voltage to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and sharing the control gate line with the nonvolatile semiconductor memory cell The first select gate line, the second select gate line, the drain line, and the source connected to the conductive semiconductor memory cell 0V is applied to the scan line, the stored data is read depending on whether or not a current flows through the selected nonvolatile semiconductor memory cell, and the nonvolatile semiconductor memory is read from the selected nonvolatile semiconductor memory cell When the verify operation is performed to determine whether the threshold voltages of the first memory element and the second memory element of the cell are changed to be higher than or equal to a preset threshold voltage of the write state, the control unit is selected The drain line connected to the selected non-volatile semiconductor memory cell by applying a seventh voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the non-volatile semiconductor memory cell. A sixth voltage is applied to the non-volatile semiconductor memory cell, and a voltage of 0 V is applied to the source line connected to the selected non-volatile semiconductor memory cell. The first voltage higher than the voltage applied at the time of data reading is applied to one of the first memory element and the second memory element connected to the semiconductor memory cell, and the other memory element is applied. A voltage for confirming a threshold voltage is applied, the first select gate and the second select gate connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell are turned on, the one memory element is turned on, Whether the other memory element is turned on is detected by a flowing current.

(16)また、本発明は、半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層とが順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に、且つ、前記第2のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、前記トランジスタ形成部と平行に、且つ、前記トランジスタ形成部に対して前記第6のn型拡散層と反対側に前記直列方向に、且つ、前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第7の拡散層と、前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線と、前記代7の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第2のメタル配線とを備えると共に、前記メモリセルアレイの配置として、前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、行方向及び列方向にマトリックス状に並べられて配置され、前記不揮発性半導体メモリセルは、それぞれ、前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルと前記直列方向に垂直な方向に対して対称に配置され、隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの一方と前記第1のn型拡散層を共用し、隣接する他方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第5のn型拡散層を共用し、前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第6の拡散層及び前記第7の拡散層は接続され、前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメタル配線及び前記第2のメタル配線は接続され、また、前記不揮発性半導体メモリセルは、前記直列方向の垂直な方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルと、前記第6の拡散層、前記第1のメタル配線、前記第7の拡散層及び前記第2のメタル配線を共用し、前記第1のポリシリコン及び前記第4のポリシリコンが接続され、更に、前記不揮発性半導体メモリセルは、前記列ごとに、前記第1のn型拡散層がコンタクトを介してドレイン線と共通接続され、前記第5のn型拡散層がコンタクトを介してソース線と共通接続されることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置である。   (16) The present invention also provides a first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, a first selection transistor which is a MOS transistor for selecting the memory element, A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which non-volatile semiconductor memory cells composed of two select transistors are arranged, the first n-type diffusion layer forming the drain of the first select transistor, A first polysilicon for forming a gate electrode of the first select transistor; a second n-type diffusion layer for forming a source of the first select transistor and a drain of the first memory element; A second polysilicon for forming a floating gate electrode of the memory element; a source of the first memory element; and a second memory. A third n-type diffusion layer forming a drain of the second element, a third polysilicon forming a floating gate electrode of the second memory element, a source of the second memory element, and the second selection A fourth n-type diffusion layer forming the drain of the transistor; a fourth polysilicon forming the gate electrode of the second selection transistor; and a fifth n-type forming the source of the second selection transistor. A transistor forming portion in which a diffusion layer is sequentially arranged in a series direction; a sixth diffusion layer arranged in parallel with the transistor forming portion in the series direction and at a position intersecting with the second polysilicon; Parallel to the transistor formation portion, in the series direction on the opposite side of the sixth n-type diffusion layer with respect to the transistor formation portion, and intersecting with the third polysilicon. A seventh diffusion layer disposed at a position where the first diffusion layer is disposed; a first metal wiring disposed in the series direction connected to the sixth diffusion layer via a contact; A plurality of non-volatile semiconductor memory cells arranged in a matrix in the row direction and the column direction as the arrangement of the memory cell array. The nonvolatile semiconductor memory cells are arranged symmetrically with respect to a direction perpendicular to the series direction and the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent to the series direction. And the first n-type diffusion layer in common and the other non-volatile semiconductor memory cell and the fifth n-type diffusion layer in common are adjacent to each other in the series direction. The sixth diffusion layer and the seventh diffusion layer of the nonvolatile semiconductor memory cell are connected, and the first metal wiring and the second metal of the nonvolatile semiconductor memory cell adjacent in the series direction are connected The wiring is connected, and the nonvolatile semiconductor memory cell includes the nonvolatile semiconductor memory cell adjacent in the direction perpendicular to the series direction, the sixth diffusion layer, the first metal wiring, and the seventh The diffusion layer and the second metal wiring are shared, the first polysilicon and the fourth polysilicon are connected, and the non-volatile semiconductor memory cell is connected to the first polysilicon layer for each column. A non-volatile semiconductor memory device, wherein an n-type diffusion layer is commonly connected to a drain line via a contact, and the fifth n-type diffusion layer is commonly connected to a source line via a contact. That.

この発明によれば、メモリ素子を平面状に直列に配置し、選択トランジスタと直列に配置することにより、少ない配置面積でなお且つ記憶保持の信頼性を向上させた不揮発性半導体メモリセル及びそれを用いた不揮発性半導体メモリ装置を実現することができる。   According to the present invention, a non-volatile semiconductor memory cell having a small arrangement area and improved memory retention reliability by arranging memory elements in series in a plane and in series with a select transistor, and The used nonvolatile semiconductor memory device can be realized.

以下、本発明の実施形態によるメモリ素子及び該メモリ素子を用いた不揮発性半導体メモリ装置を図面を参照して説明する。   Hereinafter, a memory device and a nonvolatile semiconductor memory device using the memory device according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、不揮発性半導体メモリセル1の回路構成を示す概略図である。図示するように、不揮発性半導体メモリセル1は、選択トランジスタTr11(第1の選択トランジスタ)、選択トランジスタTr14(第2の選択トランジスタ)、フローティングゲート型のメモリ素子Tr12(第1のメモリ素子)、フローティングゲート型のメモリ素子Tr13(第2のメモリ素子)を備える。
選択トランジスタTr11は、ドレインがドレイン端子D(第1の端子)に接続され、ゲートがセレクトゲート端子SGD(第1のセレクト端子)に接続され、ソースがメモリ素子Tr12のドレインと接続される。メモリ素子Tr12は、ゲートがコントロールゲート端子CGに接続され、ソースがメモリ素子Tr13のドレインに接続される。メモリ素子Tr13は、ゲートがコントロールゲート端子CGに接続され、ソースが選択トランジスタTr14のドレインに接続される。選択トランジスタTr14は、ゲートがセレクトゲート端子SGS(第2のセレクト端子)に接続され、ソースがソース端子Sに接続される。すなわち、ドレイン端子Dとソース端子Sとの間に、選択トランジスタTr11、メモリ素子Tr12、メモリ素子Tr13及び選択トランジスタTr14が直列に接続されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a circuit configuration of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. As illustrated, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 includes a selection transistor Tr11 (first selection transistor), a selection transistor Tr14 (second selection transistor), a floating gate type memory element Tr12 (first memory element), A floating gate type memory element Tr13 (second memory element) is provided.
The select transistor Tr11 has a drain connected to the drain terminal D (first terminal), a gate connected to the select gate terminal SGD (first select terminal), and a source connected to the drain of the memory element Tr12. The memory element Tr12 has a gate connected to the control gate terminal CG and a source connected to the drain of the memory element Tr13. The memory element Tr13 has a gate connected to the control gate terminal CG and a source connected to the drain of the selection transistor Tr14. The selection transistor Tr14 has a gate connected to the select gate terminal SGS (second select terminal) and a source connected to the source terminal S. That is, between the drain terminal D and the source terminal S, the selection transistor Tr11, the memory element Tr12, the memory element Tr13, and the selection transistor Tr14 are connected in series.

次に、図2及び図3を用いて、不揮発性半導体メモリセル1のレイアウトについて説明する。図2は、不揮発性半導体メモリセル1のレイアウトの構成を示す概略図である。図3(a)は、図2のA1−A’1に沿った断面構造を示す概略図である。図3(b)は、図2のB1−B’1に沿った断面構造を示す概略図である。図3(c)は、図2のC1−C’1に沿った断面構造を示す概略図である。
不揮発性半導体メモリセル1は、p型半導体基板100上に形成(配置)される。トランジスタ形成部120には、n型拡散層104(第1のn型拡散層)、n型拡散層116(第2のn型拡散層)、n型拡散層117(第3のn型拡散層)、n型拡散層118(第4のn型拡散層)、n型拡散層105(第5のn型拡散層)が順に直列方向(第1の方向)に形成される。n型拡散層104とn型拡散層116とは、選択トランジスタTr11のチャネルが形成されるゲート領域部115aを介して対向して配置される。n型拡散層116とn型拡散層117とは、メモリ素子Tr12のチャネルが形成されるゲート領域部106aを介して対向して配置される。n型拡散層117とn型拡散層118とは、メモリ素子Tr13のチャネルが形成されるゲート領域部106bを介して対向して配置される。n型拡散層118とn型拡散層105とは、選択トランジスタTr14のチャネルが形成されるゲート領域部115bを介して対向して配置される。
また、n型拡散層104は、コンタクト107aを介して、ドレイン端子Dと接続される。また、n型拡散層105は、コンタクト107bを介して、ソース端子Sと接続される。
Next, the layout of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic diagram showing a layout configuration of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. FIG. 3A is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along A1-A′1 of FIG. FIG. 3B is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along B1-B′1 in FIG. FIG. 3C is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along C1-C′1 in FIG.
The nonvolatile semiconductor memory cell 1 is formed (arranged) on the p-type semiconductor substrate 100. The transistor forming unit 120 includes an n-type diffusion layer 104 (first n-type diffusion layer), an n-type diffusion layer 116 (second n-type diffusion layer), and an n-type diffusion layer 117 (third n-type diffusion layer). ), An n-type diffusion layer 118 (fourth n-type diffusion layer), and an n-type diffusion layer 105 (fifth n-type diffusion layer) are sequentially formed in the series direction (first direction). The n-type diffusion layer 104 and the n-type diffusion layer 116 are arranged to face each other via the gate region portion 115a where the channel of the selection transistor Tr11 is formed. The n-type diffusion layer 116 and the n-type diffusion layer 117 are arranged to face each other via the gate region portion 106a in which the channel of the memory element Tr12 is formed. The n-type diffusion layer 117 and the n-type diffusion layer 118 are disposed to face each other via the gate region portion 106b where the channel of the memory element Tr13 is formed. The n-type diffusion layer 118 and the n-type diffusion layer 105 are disposed to face each other via the gate region portion 115b where the channel of the selection transistor Tr14 is formed.
The n-type diffusion layer 104 is connected to the drain terminal D via the contact 107a. The n-type diffusion layer 105 is connected to the source terminal S via the contact 107b.

ポリシリコン114a(第1のポリシリコン)は、ゲート領域部115aの上部に設けられた選択トランジスタTr11のゲート電極である。ポリシリコン103a(第2のポリシリコン)は、ゲート領域部106aの上部に設けられたメモリ素子Tr12のゲート電極である。ポリシリコン103b(第3のポリシリコン)は、ゲート領域部106bの上部に設けられたメモリ素子Tr13のゲート電極である。ポリシリコン114b(第4のポリシリコン)は、ゲート領域部115bの上部に設けられた選択トランジスタTr14のゲート電極である。
n型拡散層101(第6の拡散層)は、p型半導体基板100上にウェル構造を有している。また、n型拡散層101は、トランジスタ形成部120と平行に設けられ、ポリシリコン103a、103bと交差する位置に配置される。また、n型拡散層101は、一部が凸状に盛り上がったゲート領域部102(110a、110b)がポリシリコン103a、103bとの間隔を狭くする形状に形成される。この間隔によりフローティングゲートの静電容量の設定が行われる。また、ポリシリコン103a、103bは、トランジスタ形成部120の直列方向に対して垂直に配置される。メタル配線111(第1のメタル配線)は、コンタクト112a、112bを介して、n型拡散層101とコントロールゲート端子CGとを接続する。なお、図示しないが、ゲート領域部102のポリシリコン114a、103a、103b、114bの下以外の領域には、n型(n+)拡散層が形成される。
The polysilicon 114a (first polysilicon) is a gate electrode of the selection transistor Tr11 provided above the gate region portion 115a. The polysilicon 103a (second polysilicon) is a gate electrode of the memory element Tr12 provided above the gate region portion 106a. The polysilicon 103b (third polysilicon) is a gate electrode of the memory element Tr13 provided above the gate region portion 106b. The polysilicon 114b (fourth polysilicon) is a gate electrode of the selection transistor Tr14 provided on the gate region 115b.
The n-type diffusion layer 101 (sixth diffusion layer) has a well structure on the p-type semiconductor substrate 100. The n-type diffusion layer 101 is provided in parallel with the transistor formation portion 120 and is disposed at a position intersecting with the polysilicon 103a and 103b. In addition, the n-type diffusion layer 101 is formed in a shape in which the gate region portion 102 (110a, 110b), which is partially raised in a convex shape, narrows the distance from the polysilicon 103a, 103b. The capacitance of the floating gate is set by this interval. Further, the polysilicons 103 a and 103 b are disposed perpendicular to the series direction of the transistor formation unit 120. Metal wiring 111 (first metal wiring) connects n-type diffusion layer 101 and control gate terminal CG through contacts 112a and 112b. Although not shown, an n-type (n +) diffusion layer is formed in a region of the gate region 102 other than under the polysilicons 114a, 103a, 103b, and 114b.

図4は、不揮発性半導体メモリセル1の書き込み1、書き込み2、消去1、消去2及び読み出しの動作電圧を示す図である。メモリ素子Tr12、Tr13のフローティングゲートに電子が注入されて蓄積される書き込み1の動作及び書き込み2の動作、メモリ素子Tr12、Tr13のフローティングゲートから電子を放出させる消去1の動作及び消去2の動作、メモリ素子Tr12、Tr13が記憶しているデータを読み出す動作、それぞれの場合に印加する電圧が示されている。   FIG. 4 is a diagram showing operating voltages for writing 1, writing 2, erasing 1, erasing 2 and reading of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. An operation of writing 1 and an operation of writing 2 in which electrons are injected and accumulated in the floating gates of the memory elements Tr12 and Tr13, an operation of erasing 1 and an operation of erasing 2 for emitting electrons from the floating gates of the memory elements Tr12 and Tr13, The operation of reading data stored in the memory elements Tr12 and Tr13, and the voltage applied in each case are shown.

(書き込み1の動作)
ドレイン端子Dに5Vの電圧(第1の電圧)を印加し、ソース端子S及び半導体基板100に0Vの電圧を印加し、セレクトゲート端子SGD、SGSにドレイン端子Dに印加した電圧以上の7Vの電圧(第3の電圧)を印加し、コントロールゲート端子CGにドレイン端子Dに印加した電圧以上の9Vの電圧(第2の電圧)を印加する。
メモリ素子Tr12、Tr13が直列に接続されているため書き込みに時間を要する場合があり、コントロールゲート端子CGに印加する電圧を高めの9Vの電圧に設定している。ここで、メモリ素子Tr12、Tr13のドレイン及びゲートに印加する電圧は、メモリ素子Tr12、13が飽和領域で動作する電圧である。
このとき、メモリ素子Tr12、Tr13各々のゲート領域部106a、106bにチャネルが形成され、チャネル電流と共に、高いエネルギーを有する電子であるホットエレクトロンが発生し、発生したホットエレクトロンがフローティングゲートに注入されて蓄積される。これにより、不揮発性半導体メモリセル1の閾値電圧が初期状態より高い電圧に変化し、書き込み状態となる。
(Operation of write 1)
A voltage of 5V (first voltage) is applied to the drain terminal D, a voltage of 0V is applied to the source terminal S and the semiconductor substrate 100, and a voltage of 7V that is equal to or higher than the voltage applied to the drain terminal D is applied to the select gate terminals SGD and SGS. A voltage (third voltage) is applied, and a voltage of 9 V (second voltage) equal to or higher than the voltage applied to the drain terminal D is applied to the control gate terminal CG.
Since the memory elements Tr12 and Tr13 are connected in series, it may take time to write, and the voltage applied to the control gate terminal CG is set to a higher voltage of 9V. Here, the voltage applied to the drain and gate of the memory elements Tr12 and Tr13 is a voltage at which the memory elements Tr12 and 13 operate in a saturation region.
At this time, a channel is formed in each of the gate regions 106a and 106b of the memory elements Tr12 and Tr13, hot electrons that are electrons having high energy are generated along with the channel current, and the generated hot electrons are injected into the floating gate. Accumulated. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 changes to a voltage higher than the initial state, and a write state is set.

(書き込み2の動作)
ドレイン端子D、ソース端子S、半導体基板100に0Vの電圧を印加し、セレクトゲート端子SGD、SGSに7Vの電圧を印加し、コントロールゲート端子CGに12Vの電圧(第4の電圧)を印加する。ここで、コントロールゲート端子CGに印加する電圧(第4の電圧)は、半導体基板100とメモリ素子Tr12、13それぞれのコントロールゲートとの間でファウラーノルトハイムのトンネル電流を発生させる電圧である。
このとき、メモリ素子Tr12、Tr13のフローティングゲートと半導体基板100との間に高電界が加わり、FN電流が発生し、電子がフローティングゲートに注入されて蓄積される。これにより、不揮発性半導体メモリセル1の閾値電圧が初期状態より高い電圧に変化し、書き込み状態となる。
この書き込み2は、FN電流による書き込みであり、書き込み1と異なり、複数のメモリ素子Tr12、Tr13に対して同時に書き込みを行っても書き込み時間の特性への影響はない。
(Operation of write 2)
A voltage of 0V is applied to the drain terminal D, the source terminal S, and the semiconductor substrate 100, a voltage of 7V is applied to the select gate terminals SGD and SGS, and a voltage of 12V (fourth voltage) is applied to the control gate terminal CG. . Here, the voltage (fourth voltage) applied to the control gate terminal CG is a voltage that generates a Fowler-Nordheim tunnel current between the semiconductor substrate 100 and the control gates of the memory elements Tr12 and Tr13.
At this time, a high electric field is applied between the floating gates of the memory elements Tr12 and Tr13 and the semiconductor substrate 100, an FN current is generated, and electrons are injected into the floating gate and accumulated. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 changes to a voltage higher than the initial state, and a write state is set.
This writing 2 is writing by FN current, and unlike writing 1, even if writing is performed simultaneously on a plurality of memory elements Tr12 and Tr13, there is no effect on the characteristics of the writing time.

(消去1の動作)
コントロールゲート端子CGに0Vの電圧を印加し、セレクトゲート端子SGD、SGS、ドレイン端子D、ソース端子S及び半導体基板100に12Vの電圧を印加する。
このとき、書き込み2の場合と逆方向にFN電流が流れ、フローティングゲートから電子が放出され、閾値電圧が初期状態より低い電圧に変化した消去状態となる。
(Operation of erase 1)
A voltage of 0 V is applied to the control gate terminal CG, and a voltage of 12 V is applied to the select gate terminals SGD, SGS, the drain terminal D, the source terminal S, and the semiconductor substrate 100.
At this time, an FN current flows in the opposite direction to that in the case of writing 2, electrons are emitted from the floating gate, and an erase state is entered in which the threshold voltage is changed to a voltage lower than the initial state.

(消去2の動作)
ドレイン端子D及びソース端子Sに10Vの電圧(第5の電圧)を印加し、半導体基板100に0Vの電圧を印加し、セレクトゲート端子SGD、SGSにドレイン端子D及びソース端子Sに印加した電圧以上の12V(第8の電圧)の電圧を印加し、コントロールゲート端子CGに0Vの電圧を印加する。ここで、セレクトゲート端子SGD、SGSに印加する12Vの電圧(第8の電圧)は、ドレイン端子D及びソース端子Sに印加した電圧と選択トランジスタTr11、12の閾値電圧とを併せた電圧より高い電圧である。すなわち、(セレクトゲート端子SGD、SGSに印加する電圧(第8の電圧))≧(ドレイン端子及びソース端子に印加する電圧)+(選択トランジスタTr11、12の閾値電圧)であればよい。
このとき、メモリ素子Tr12のドレイン付近及びメモリ素子Tr13のソース付近には高電界が加わり、FN電流が流れると共に、フローティングゲートから電子が放出される。これにより、閾値電圧が初期状態より低い電圧に変化した消去状態となる。
(Erase 2 operation)
A voltage of 10V (fifth voltage) is applied to the drain terminal D and the source terminal S, a voltage of 0V is applied to the semiconductor substrate 100, and a voltage applied to the drain terminal D and the source terminal S to the select gate terminals SGD and SGS. The above voltage of 12V (eighth voltage) is applied, and a voltage of 0V is applied to the control gate terminal CG. Here, the voltage of 12 V (eighth voltage) applied to the select gate terminals SGD and SGS is higher than the voltage obtained by combining the voltage applied to the drain terminal D and the source terminal S and the threshold voltage of the selection transistors Tr11 and Tr12. Voltage. That is, (voltage applied to select gate terminals SGD, SGS (eighth voltage)) ≧ (voltage applied to drain terminal and source terminal) + (threshold voltage of selection transistors Tr11, 12) may be satisfied.
At this time, a high electric field is applied near the drain of the memory element Tr12 and near the source of the memory element Tr13, an FN current flows, and electrons are emitted from the floating gate. As a result, an erased state in which the threshold voltage is changed to a voltage lower than the initial state is obtained.

(読み出しの動作)
ドレイン端子Dに1Vの電圧(第6の電圧)を印加し、ソース端子S及び半導体基板100に0Vの電圧を印加し、セレクトゲート端子SGD、SGSにドレイン端子Dに印加した電圧より高い3Vの電圧(第7の電圧)を印加し、コントロールゲート端子CGに0V〜3Vの電圧を印加する。コントロールゲート端子CGに印加する電圧は、メモリ素子Tr12,Tr13の初期状態の閾値電圧を超える電圧で、且つ、予め定めた書き込み状態の閾値電圧以下の任意の電圧を読み出し電圧として設定する。
(Read operation)
A voltage of 1V (sixth voltage) is applied to the drain terminal D, a voltage of 0V is applied to the source terminal S and the semiconductor substrate 100, and a voltage of 3V higher than the voltage applied to the drain terminal D is applied to the select gate terminals SGD and SGS. A voltage (seventh voltage) is applied, and a voltage of 0 V to 3 V is applied to the control gate terminal CG. The voltage applied to the control gate terminal CG is set to a voltage exceeding the threshold voltage in the initial state of the memory elements Tr12 and Tr13, and an arbitrary voltage equal to or lower than the threshold voltage in the predetermined writing state is set as the reading voltage.

このように設定することで、書き込み動作において、直列に接続されたメモリ素子Tr12、Tr13のうち、少なくともどちらか1つに書き込みが行われていれば、不揮発性半導体メモリセル1はオフとなり、書き込み状態と判断することができる。すなわち、メモリ素子Tr12、Tr13を直列に接続することで、不揮発性半導体メモリセル1に対しての書き込みデータの信頼性を向上させることが可能となる。   By setting in this way, in the write operation, if the write operation is performed on at least one of the memory elements Tr12 and Tr13 connected in series, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 is turned off, and the write operation is performed. It can be judged as a state. That is, by connecting the memory elements Tr12 and Tr13 in series, it is possible to improve the reliability of write data to the nonvolatile semiconductor memory cell 1.

一方、消去状態の不揮発性半導体メモリセル1において、図28に示したように、電子が抜けることでメモリ素子Tr12,Tr13の閾値電圧が初期状態の電圧に漸近する。そこで、読み出し電圧を初期状態の閾値電圧より高い電圧に設定することで、不良とはならずに、読み出しを行うことができる。すなわち、この不揮発性半導体メモリセル1は、書き込み動作のみに注意を払えばよい。   On the other hand, in the nonvolatile semiconductor memory cell 1 in the erased state, as shown in FIG. 28, the threshold voltages of the memory elements Tr12 and Tr13 gradually approach the initial voltage as electrons are removed. Therefore, by setting the read voltage to a voltage higher than the threshold voltage in the initial state, the read can be performed without causing a failure. That is, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 needs to pay attention only to the write operation.

また、図示しないが、フローティングゲートとドレインとの間の酸化膜、あるいは、フローティングとソースとの間の酸化膜が破損して、ショートした場合を考慮して、メモリ素子Tr12、Tr13の初期状態の閾値電圧よりもドレイン電圧及びコントロールゲート端子CGの読み出し電圧を高く設定する。これにより、ゲート破損を起こしても、破損したメモリ素子Tr12、Tr13は、オン状態となるので、消去不良とはならず、オフ側の不良のみに注意を払えばよい。   Although not shown, in consideration of the case where the oxide film between the floating gate and the drain or the oxide film between the floating and the source is damaged and short-circuited, the initial state of the memory elements Tr12 and Tr13 is changed. The drain voltage and the read voltage of the control gate terminal CG are set higher than the threshold voltage. As a result, even if the gate is damaged, the damaged memory elements Tr12 and Tr13 are turned on, so that they do not become erasure defects, but only the off-side defects need to be paid attention.

次に、図5及び図6を用いて、書き込み禁止の動作について説明する。
図5は、書き込み禁止の動作を示す図である。書き込み禁止とは、例えば、不揮発性半導体メモリセル1に対して、ドレイン端子D、ソース端子S、セレクトゲート端子SGD、SGS及び半導体基板100に0Vの電圧が印加され、コントロールゲート端子CGに12Vの電圧が印加する。このときの不揮発性半導体メモリセル1は、非選択の状態となる。
Next, the write prohibiting operation will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a diagram showing a write inhibit operation. For example, write prohibition means that a voltage of 0 V is applied to the drain terminal D, the source terminal S, the select gate terminals SGD, SGS, and the semiconductor substrate 100 in the nonvolatile semiconductor memory cell 1, and a voltage of 12 V is applied to the control gate terminal CG. A voltage is applied. At this time, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 is in a non-selected state.

図6(a)は、不揮発性半導体メモリセル1の静電容量のカップリングを示す概略図である。C1は、コントロールゲート端子CGとフローティングゲートとの間の静電容量である。C2は、フローティングゲート103a、103bと、メモリ素子Tr12、Tr13のソース及びドレインであるn型拡散層116、117、118との間の静電容量である。C3は、フローティングゲート103a、103bとチャネルが形成されるゲート領域部106a、106bとの間の静電容量である。C4は、n型拡散層116、117、118と半導体基板100との間の静電容量である。C5は、ゲート領域部106a、106bの反転層と半導体基板100との間の静電容量である。
このとき、セレクトゲート端子SGD、SGSは、0Vの電圧が印加されているので、選択トランジスタTr11、Tr14はオフである。
FIG. 6A is a schematic diagram showing the coupling of the capacitance of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. C1 is a capacitance between the control gate terminal CG and the floating gate. C2 is a capacitance between the floating gates 103a and 103b and the n-type diffusion layers 116, 117, and 118 that are the sources and drains of the memory elements Tr12 and Tr13. C3 is a capacitance between the floating gates 103a and 103b and the gate region portions 106a and 106b where the channels are formed. C4 is a capacitance between the n-type diffusion layers 116, 117, and 118 and the semiconductor substrate 100. C5 is a capacitance between the inversion layers of the gate region portions 106a and 106b and the semiconductor substrate 100.
At this time, since the voltage of 0V is applied to the select gate terminals SGD and SGS, the select transistors Tr11 and Tr14 are off.

図6(b)は、不揮発性半導体メモリセル1の静電容量の等価回路を示す概略図である。通常、静電容量の比は、C1:C2:C3:C4:C5=15:2:6:1:1に設定すると好適である。このように静電容量の比を設定した場合、コントロールゲート端子CGに印加する電圧VCGを12Vにするとカップリングにより、フローティングゲートの電圧VFG、メモリ素子Tr12、Tr13のソース及びドレインの電圧Vdrainは、図5に図示されるようにVFG=7.2V、Vdrain=5.8Vとなる。
書き込み禁止の動作においてVdrainが5.8Vとなることで、メモリ素子Tr12、Tr13は、コントロールゲート端子に12Vの電圧が印加されても、加えられる電界が弱まり、FN電流は流れず書き込みが行われない書き込み禁止状態となる。この動作は、不揮発性半導体メモリセル1をマトリックス状に配置したメモリセルアレイを構成するときに重要な動作となる。
FIG. 6B is a schematic diagram showing an equivalent circuit of the capacitance of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. In general, the capacitance ratio is preferably set to C1: C2: C3: C4: C5 = 15: 2: 6: 1: 1. When the capacitance ratio is set in this way, when the voltage VCG applied to the control gate terminal CG is set to 12V, the voltage VFG of the floating gate and the voltages Vdrain of the source and drain of the memory elements Tr12 and Tr13 are obtained by coupling. As shown in FIG. 5, VFG = 7.2V and Vdrain = 5.8V.
Since Vdrain is 5.8 V in the write inhibit operation, the applied electric field is weakened even when a voltage of 12 V is applied to the control gate terminal of the memory elements Tr12 and Tr13, and the FN current does not flow and writing is performed. There will be no write protection. This operation is an important operation when configuring a memory cell array in which the nonvolatile semiconductor memory cells 1 are arranged in a matrix.

以上のように、メモリ素子Tr12、Tr13を直列に接続することにより、書き込み状態に対する信頼性を向上させることが可能となる。また、前述したレイアウトを用いることで、4つのトランジスタを直列方向に配置することができ、少ない配置面積で不揮発性半導体メモリセル1を実装することが可能となる。   As described above, by connecting the memory elements Tr12 and Tr13 in series, it is possible to improve the reliability with respect to the written state. Further, by using the layout described above, four transistors can be arranged in series, and the nonvolatile semiconductor memory cell 1 can be mounted with a small arrangement area.

(第2実施形態)
図7は、第2実施形態の不揮発性半導体メモリセル20を示す概略図である。また、不揮発性半導体メモリセル20は、図1に図示される不揮発性半導体メモリセル1と等価な回路である。図示するレイアウトを用いることで、第2実施形態の不揮発性半導体メモリセル20は、第1実施形態より少ない配置面積で配置することができる。図7(a)は、不揮発性半導体メモリセル1のレイアウトの平面図を示す概略図である。図7(b)は、図7(a)のA2−A’2に沿った断面構造を示す概略図である。図7(c)は、図7(a)のB2−B’2に沿った断面構造を示す概略図である。図7(d)は、図7(a)のC2−C’2に沿った断面構造を示す概略図である。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram showing the nonvolatile semiconductor memory cell 20 of the second embodiment. The nonvolatile semiconductor memory cell 20 is a circuit equivalent to the nonvolatile semiconductor memory cell 1 shown in FIG. By using the illustrated layout, the non-volatile semiconductor memory cell 20 of the second embodiment can be arranged with a smaller arrangement area than the first embodiment. FIG. 7A is a schematic diagram showing a plan view of the layout of the nonvolatile semiconductor memory cell 1. FIG. 7B is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along A2-A′2 in FIG. FIG. 7C is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along B2-B′2 in FIG. FIG. 7D is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along C2-C′2 in FIG.

第1実施形態に比べ、n型拡散層101を用いずに、n+拡散層219(第6の拡散層)を用いて構成する。p型半導体基板200上のトランジスタ形成部220には、n型拡散層204(第1のn型拡散層)、ポリシリコン214a(第1のポリシリコン)、n型拡散層216(第2のn型拡散層)、ポリシリコン203a(第2のポリシリコン)、n型拡散層217(第3のn型拡散層)、ポリシリコン203b(第3のポリシリコン)、n型拡散層218(第4のn型拡散層)、ポリシリコン214b(第4のポリシリコン)、n型拡散層205(第5のn型拡散層)が順に直列方向(第1の方向)に形成される。
n型拡散層204は、選択トランジスタTr11のドレインである。n型拡散層216は、選択トランジスタTr11のソース及びメモリ素子Tr12のドレインである。n型拡散層217は、メモリ素子Tr12のソース及びメモリ素子Tr13のドレインである。n型拡散層218は、メモリ素子Tr13のソース及び選択トランジスタTr14のドレインである。n型拡散層205は、選択トランジスタTr14のソースである。
また、n型拡散層204は、コンタクト207aを介してドレイン端子Dと接続される。また、n型拡散層205は、コンタクト207bを介してソース端子Sと接続される。
Compared to the first embodiment, the n + diffusion layer 219 (sixth diffusion layer) is used instead of the n-type diffusion layer 101. The transistor formation portion 220 on the p-type semiconductor substrate 200 includes an n-type diffusion layer 204 (first n-type diffusion layer), polysilicon 214a (first polysilicon), and n-type diffusion layer 216 (second n-type). Type diffusion layer), polysilicon 203a (second polysilicon), n-type diffusion layer 217 (third n-type diffusion layer), polysilicon 203b (third polysilicon), n-type diffusion layer 218 (fourth) N-type diffusion layer), polysilicon 214b (fourth polysilicon), and n-type diffusion layer 205 (fifth n-type diffusion layer) are sequentially formed in the series direction (first direction).
The n-type diffusion layer 204 is the drain of the selection transistor Tr11. The n-type diffusion layer 216 is the source of the selection transistor Tr11 and the drain of the memory element Tr12. The n-type diffusion layer 217 is a source of the memory element Tr12 and a drain of the memory element Tr13. The n-type diffusion layer 218 is the source of the memory element Tr13 and the drain of the selection transistor Tr14. The n-type diffusion layer 205 is the source of the selection transistor Tr14.
The n-type diffusion layer 204 is connected to the drain terminal D through the contact 207a. The n-type diffusion layer 205 is connected to the source terminal S via the contact 207b.

n型拡散層204、216は、選択トランジスタTr11のチャネルが形成されるゲート領域部215aを介して対向して配置される。n型拡散層216、217は、メモリ素子Tr12のチャネルが形成されるゲート領域部206aを介して対向して配置される。n型拡散層217、218は、メモリ素子Tr13のチャネルが形成されるゲート領域部206bを介して対向して配置される。n型拡散層218、205は選択トランジスタTr14のチャネルが形成されるゲート領域部215bを介して対向して配置される。   The n-type diffusion layers 204 and 216 are arranged to face each other via the gate region portion 215a where the channel of the selection transistor Tr11 is formed. The n-type diffusion layers 216 and 217 are arranged to face each other via the gate region portion 206a where the channel of the memory element Tr12 is formed. The n-type diffusion layers 217 and 218 are arranged to face each other via the gate region portion 206b where the channel of the memory element Tr13 is formed. The n-type diffusion layers 218 and 205 are arranged to face each other via the gate region portion 215b where the channel of the selection transistor Tr14 is formed.

ポリシリコン214aは、ゲート領域部215aの上部に設けられた選択トランジスタTr11のゲート電極である。ポリシリコン203aは、ゲート領域部206aの上部に設けられたメモリ素子Tr12のゲート電極である。ポリシリコン203bは、ゲート領域部206bの上部に設けられたメモリ素子Tr13のゲート電極である。ポリシリコン214bは、ゲート領域部215bの上部に設けられた選択トランジスタTr14のゲート電極である。また、ポリシリコン214a、203a、203b、214bそれぞれは、トランジスタ形成部220の直列方向に対して垂直の方向に形成される。   The polysilicon 214a is a gate electrode of the selection transistor Tr11 provided above the gate region 215a. The polysilicon 203a is a gate electrode of the memory element Tr12 provided above the gate region 206a. The polysilicon 203b is a gate electrode of the memory element Tr13 provided on the gate region 206b. The polysilicon 214b is a gate electrode of the selection transistor Tr14 provided above the gate region 215b. Further, each of the polysilicones 214a, 203a, 203b, and 214b is formed in a direction perpendicular to the series direction of the transistor forming part 220.

n+型拡散層219は、半導体基板200上にトランジスタ形成部220と平行に、且つ、ポリシリコン203a、203bと交わる位置に配置される。メタル配線211(第1のメタル配線)は、n+型拡散層219とコントロールゲート端子CGとをコンタクト212a、212bを介して接続する。酸化膜213は、トランジスタ形成部220とポリシリコン214a、203a、203b、214bとを隔てるように半導体基板200上に設けられる。また、酸化膜213は、n+型拡散層219とポリシリコン214a、203a、203b、214bとの間に、それぞれを隔てるように半導体基板200上に設けられる。なお、ゲート領域部215a、206a、206b、215bの上部には、ゲート酸化膜が形成されている。n+型拡散層219のポリシリコン203aに対向する面210aと、ポリシリコン203aとは、メモリ素子Tr12のフローティングゲートのキャパシタを形成する。   The n + -type diffusion layer 219 is disposed on the semiconductor substrate 200 in parallel with the transistor formation portion 220 and at a position where it intersects with the polysilicons 203a and 203b. Metal wiring 211 (first metal wiring) connects n + -type diffusion layer 219 and control gate terminal CG via contacts 212a and 212b. The oxide film 213 is provided on the semiconductor substrate 200 so as to separate the transistor formation part 220 and the polysilicons 214a, 203a, 203b, and 214b. The oxide film 213 is provided on the semiconductor substrate 200 so as to be separated from the n + type diffusion layer 219 and the polysilicons 214a, 203a, 203b, and 214b. A gate oxide film is formed on the gate region portions 215a, 206a, 206b, and 215b. The surface 210a of the n + -type diffusion layer 219 facing the polysilicon 203a and the polysilicon 203a form a floating gate capacitor of the memory element Tr12.

不揮発性半導体メモリセル20は、n+型拡散層を用いるため、製造工程としては、ゲート酸化膜を形成するまえにn+型拡散層を作り込む必要があるので、論理回路を形成するCMOSトランジスタと同様なプロセスである標準CMOSプロセスに対して工程数が増加するが、不揮発性半導体メモリセル1の面積を小さくすることが可能である。
異なる手法として、n型拡散層を形成した後で、深めのディプリーションタイプ(Depletion-type)のチャネルインプラ(燐あるいはヒ素など)を打ち込むことで、同等の効果が得られる。また、インプラ工程が追加されるのみであるから、標準CMOSプロセスと殆ど同じである。
Since the nonvolatile semiconductor memory cell 20 uses an n + type diffusion layer, it is necessary to form an n + type diffusion layer before forming a gate oxide film as a manufacturing process. Although the number of processes increases compared to a standard CMOS process, which is a simple process, the area of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 can be reduced.
As a different method, after the n-type diffusion layer is formed, an equivalent effect can be obtained by implanting a deeper depletion type channel implant (such as phosphorus or arsenic). Further, since only an implantation process is added, it is almost the same as the standard CMOS process.

上述の不揮発性半導体メモリセル20を用いることで、第1実施形態に比べ、更に少ない面積で不揮発性半導体メモリセル1を実装することが可能となる。   By using the non-volatile semiconductor memory cell 20 described above, the non-volatile semiconductor memory cell 1 can be mounted with a smaller area than the first embodiment.

(第3実施形態)
図8は、複数の不揮発性半導体メモリセル1あるいは不揮発性半導体メモリセル20を用いたメモリセルアレイ21の構成を示す概略図である。図示するように、不揮発性半導体メモリセル1あるいは不揮発性半導体メモリセル20をマトリックス状に配置してメモリセルアレイ21を構成している。同じ列の不揮発性半導体メモリセル1各々は、ドレイン端子D、ソース端子S及びコントロールゲート端子CGそれぞれが共通接続される。例えば、同じ列の不揮発性半導体メモリセルM11、M21、…、Mm1(以下、メモリセルM11、M21、…、Mm1)は、ドレイン端子Dがドレイン線D1に共通接続され、ソース端子Sがソース線S1共通接続され、コントロールゲート端子CGがコントロールゲート線CG1に共通接続される。
また、同じ行のメモリセルM11、M12、…、M1nは、セレクトゲート端子SGD、SGSそれぞれを共通接続する。例えば、同じ行のメモリセルM11、M12、…、M1nは、セレクトゲート端子SGDがセレクトゲート線SGD1に共通接続され、セレクトゲート線SGSがセレクトゲート線SGS1に共通接続される。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a memory cell array 21 using a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 or nonvolatile semiconductor memory cells 20. As shown in the figure, a memory cell array 21 is configured by arranging nonvolatile semiconductor memory cells 1 or nonvolatile semiconductor memory cells 20 in a matrix. In each of the nonvolatile semiconductor memory cells 1 in the same column, the drain terminal D, the source terminal S, and the control gate terminal CG are commonly connected. For example, in the same column of nonvolatile semiconductor memory cells M11, M21,..., Mm1 (hereinafter, memory cells M11, M21,..., Mm1), the drain terminal D is commonly connected to the drain line D1, and the source terminal S is the source line. S1 is commonly connected, and the control gate terminal CG is commonly connected to the control gate line CG1.
Further, the memory cells M11, M12,..., M1n in the same row commonly connect the select gate terminals SGD, SGS, respectively. For example, in the memory cells M11, M12,..., M1n in the same row, the select gate terminal SGD is commonly connected to the select gate line SGD1, and the select gate line SGS is commonly connected to the select gate line SGS1.

図9は、メモリセルアレイ21のレイアウトを示す概略図である。不揮発性半導体メモリセル20を使用した例である。
メモリセルアレイ21において、メモリセルM11、…、Mmnは、行方向及び列方向にマトリックス状に配置される。また、図の上下方向(トランジスタ形成部220の直列方向)に隣接するメモリセルM11、…、Mmnは、互いに直列方向に垂直な方向に対して対称に配置される。更に、メモリセルM11、…、Mmnは、直列方向に隣接する一方のメモリセルと選択トランジスタTr11のドレインであるn型拡散層204及びコンタクト207aを共用し、直列方向に隣接する他方と選択トランジスタTr14のソースであるn型拡散層205及びコンタクト207bを共用する。
このように直列方向に配置された列が複数、平行に配置されてメモリセルアレイ21を構成する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a layout of the memory cell array 21. This is an example in which a nonvolatile semiconductor memory cell 20 is used.
In the memory cell array 21, the memory cells M11,..., Mmn are arranged in a matrix in the row direction and the column direction. In addition, the memory cells M11,..., Mmn adjacent in the vertical direction (series direction of the transistor formation portion 220) in the figure are arranged symmetrically with respect to the direction perpendicular to the series direction. Further, the memory cells M11,..., Mmn share one memory cell adjacent in the series direction with the n-type diffusion layer 204 and the contact 207a which are the drains of the selection transistor Tr11, and the other adjacent to the series direction and the selection transistor Tr14. Share the n-type diffusion layer 205 and the contact 207b.
A plurality of columns arranged in series in this way are arranged in parallel to constitute the memory cell array 21.

更に、メモリセルアレイ21は、それぞれの列ごとに、直列方向に配置されるソース線S1、S2、…、Sn、ドレイン線D1、D2、…、Dnを備える。列ごとに備えられたソース線S1、S2、…、Snには、当該列のメモリセルのソース端子が共通接続され、ドレイン線D1、D2、…、Dnには、当該列のメモリセルのドレイン端子が共通接続される。また、上下方向に隣接するメモリセルM11、…、Mmnが有するn+型拡散層219及びn+型拡散層219にコンタクト212a、212bを介して接続されたメタル配線211は、互いに接続される。
図10は、メモリセルアレイ21の書き込み、消去、読み出し及び書き込みベリファイの動作における印加する電圧の一例を示す図である。図示するように、M11を選択して、書き込み、消去、読み出し及び書き込みベリファイを行う際の動作を示している。
Further, the memory cell array 21 includes source lines S1, S2,..., Sn, drain lines D1, D2,. The source lines S1, S2,..., Sn provided for each column are connected in common to the source terminals of the memory cells in the column, and the drain lines D1, D2,. The terminals are connected in common. Further, the n + -type diffusion layer 219 and the metal wiring 211 connected to the n + -type diffusion layer 219 of the memory cells M11,..., Mmn adjacent in the vertical direction are connected to each other.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of voltages applied in the write, erase, read, and write verify operations of the memory cell array 21. As shown in the figure, the operation when M11 is selected to perform writing, erasing, reading and writing verification is shown.

(書き込みの動作)
書き込みの動作は、コントロールゲート線CG1に12Vの電圧を印加し、他のコントロールゲート線には0Vの電圧を印加する。また、セレクトゲート線SGD1、SGS1に7Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線SGD2、…、SGDm、SGS2、…、SGSmには0Vの電圧を印加する。また、全てのドレイン線及び全てのソース線、半導体基板には0Vの電圧を印加する。
これにより、選択されたメモリセルM11に対して、図4に示した書き込み2の動作となり、メモリセルM11に書き込みが行われる。一方、メモリセルM21、…、Mm1に対しては、コントロールゲート端子CGに12Vの電圧が印加されるが、セレクトゲート端子SGD、SGSに0Vの電圧が印加され、図5に示した書き込み禁止の動作となり、記憶するデータが保持される。また、メモリセルM12、…、M1nそれぞれは、コントロールゲート端子に0Vの電圧が印加され、セレクトゲート端子SGD、SGSに7Vの電圧が印加される。これにより、フローティングゲートには電界が加わらず書き込みは行われず、記憶するデータが保持される。その他のメモリセルのコントロールゲート端子CG、セレクトゲート端子SGD,SGS、ドレイン端子D及びソース端子Sには、0Vの電圧が印加されて、書き込みは行われない。
(Write operation)
In the write operation, a voltage of 12V is applied to the control gate line CG1, and a voltage of 0V is applied to the other control gate lines. Further, a voltage of 7V is applied to the select gate lines SGD1, SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines SGD2,..., SGDm, SGS2,. A voltage of 0 V is applied to all drain lines, all source lines, and the semiconductor substrate.
As a result, the operation of writing 2 shown in FIG. 4 is performed on the selected memory cell M11, and writing is performed on the memory cell M11. On the other hand, for the memory cells M21,..., Mm1, a voltage of 12V is applied to the control gate terminal CG, but a voltage of 0V is applied to the select gate terminals SGD, SGS, and the write inhibit shown in FIG. The operation is performed and the stored data is held. In each of the memory cells M12,..., M1n, a voltage of 0 V is applied to the control gate terminal, and a voltage of 7 V is applied to the select gate terminals SGD, SGS. As a result, no electric field is applied to the floating gate and writing is not performed, and stored data is retained. A voltage of 0 V is applied to the control gate terminal CG, select gate terminals SGD, SGS, drain terminal D, and source terminal S of other memory cells, and writing is not performed.

(消去の動作)
消去の動作は、セレクトゲート線SGD1、SGS1に12Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加する。また、ドレイン線D1及びソース線S1に10Vの電圧を印加し、他のドレイン線及びソース線に0Vの電圧を印加する。また、全てのコントロールゲート線及び半導体基板に0Vの電圧を印加する。
これにより、選択されたメモリセルM11に対して、図4に示した消去2の動作となり、メモリセルM11に消去が行われる。一方、メモリセルM21、…、Mm1に対しては、コントロールゲート端子に0Vの電圧が印加され、セレクトゲート端子SGD、SGSに0Vの電圧が印加され、ドレイン端子D及びソース端子Sに10Vの電圧が印加され、メモリ素子Tr12、Tr13それぞれのドレイン及びソースには、電圧が印加されず消去が行われない。また、メモリセルM12、…、M1nに対しては、コントロールゲート端子に0Vの電圧が印加され、セレクトゲート端子SGD、SGSに12Vの電圧が印加され、ドレイン端子D及びソース端子Sに0Vの電圧が印加され、メモリ素子Tr12、Tr13それぞれのフローティングゲートに電界が加わらず、消去が行われない。また、その他のメモリセルに対しては、コントロールゲート端子CG、セレクトゲート端子SGD、SGS、ドレイン端子D及びソース端子Sに0Vの電圧が印加され、消去は行われない。
(Erase operation)
In the erasing operation, a voltage of 12V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. Further, a voltage of 10 V is applied to the drain line D1 and the source line S1, and a voltage of 0 V is applied to the other drain lines and source lines. A voltage of 0 V is applied to all control gate lines and the semiconductor substrate.
As a result, the operation of erase 2 shown in FIG. 4 is performed on the selected memory cell M11, and the memory cell M11 is erased. On the other hand, for the memory cells M21,..., Mm1, a voltage of 0V is applied to the control gate terminal, a voltage of 0V is applied to the select gate terminals SGD, SGS, and a voltage of 10V is applied to the drain terminal D and the source terminal S. Is applied, and no voltage is applied to the drain and source of each of the memory elements Tr12 and Tr13, and erasing is not performed. For the memory cells M12,..., M1n, a voltage of 0V is applied to the control gate terminal, a voltage of 12V is applied to the select gate terminals SGD, SGS, and a voltage of 0V is applied to the drain terminal D and the source terminal S. Is applied, no electric field is applied to the floating gates of the memory elements Tr12 and Tr13, and erasing is not performed. For other memory cells, a voltage of 0 V is applied to the control gate terminal CG, select gate terminals SGD, SGS, drain terminal D, and source terminal S, and erasing is not performed.

(読み出しの動作)
読み出しの動作は、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加する。また、ドレイン線D1に1Vの電圧を印加し、他のドレイン線に0Vの電圧を印加する。また、全てのソース線、コントロールゲート線及び半導体基板に0Vの電圧を印加する。
これにより、選択されたメモリセルM11に対して、図4に示した読み出しの動作となり、メモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧の状態によって、メモリセルM11はオンあるいはオフとなる。
(Read operation)
In the read operation, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. Further, a voltage of 1V is applied to the drain line D1, and a voltage of 0V is applied to the other drain lines. In addition, a voltage of 0 V is applied to all source lines, control gate lines, and the semiconductor substrate.
Accordingly, the read operation shown in FIG. 4 is performed on the selected memory cell M11, and the memory cell M11 is turned on or off depending on the threshold voltage state of the memory elements Tr12 and Tr13.

(書き込みベリファイの動作)
書き込んだメモリセルの閾値電圧のチェックである書き込みベリファイを行う場合、コントロールゲート線CG1に例えば1Vの電圧を印加し、他のコントロールゲート線に0Vの電圧を印加する。また、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加する。また、ドレイン端D1に1Vの電圧を印加し、他のドレイン端に0Vの電圧を印加する。また、全てのソース線、及び半導体基板に0Vの電圧を印加する。
このとき、選択したメモリセルM11に対する書き込みの動作後の閾値電圧が1V以下であれば電流が流れ、書き込みの動作後の閾値電圧が1V以上であれば電流が流れず、書き込み後の閾値電圧を判定することができる。更に、コントロールゲート線CG1に印加する電圧を、例えば、0V〜3Vと変化させることで、書き込み後の閾値電圧をモニタすることができる。すなわち、予め定めた書き込み状態の閾値電圧、あるいは、読み出し電圧以上にメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧が変化しているか否かを検出することが可能となる。
(Write verify operation)
When performing write verify, which is a check of the threshold voltage of the written memory cell, for example, a voltage of 1V is applied to the control gate line CG1, and a voltage of 0V is applied to the other control gate lines. Further, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1, SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. Further, a voltage of 1V is applied to the drain terminal D1, and a voltage of 0V is applied to the other drain terminal. Further, a voltage of 0 V is applied to all the source lines and the semiconductor substrate.
At this time, if the threshold voltage after the write operation to the selected memory cell M11 is 1 V or less, a current flows. If the threshold voltage after the write operation is 1 V or more, no current flows. Can be determined. Furthermore, the threshold voltage after writing can be monitored by changing the voltage applied to the control gate line CG1 to 0 V to 3 V, for example. That is, it is possible to detect whether or not the threshold voltage of the memory element Tr12 or Tr13 has changed more than a predetermined threshold voltage in the writing state or higher than the reading voltage.

図11は、メモリセルアレイ21の書き込み、消去、読み出し、書き込みベリファイ及び消去ベリファイの動作における印加する電圧の一例を示す図である。図示するように、図10で示した動作に加え、消去ベリファイの動作を追加して示している。ここでは、追加された消去ベリファイについて説明する。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of voltages applied in the write, erase, read, write verify, and erase verify operations of the memory cell array 21. As shown in the figure, an erase verify operation is additionally shown in addition to the operation shown in FIG. Here, the added erase verify will be described.

(消去ベリファイの動作)
消去したメモリセルの閾値電圧のチェックである消去ベリファイを行う場合、コントロールゲート線CG1に例えば0Vの電圧を印加し、他のコントロールゲート線に0Vの電圧を印加する。また、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加する。また、ドレイン端D1に1Vの電圧を印加し、他のドレイン端に0Vの電圧を印加する。また、全てのソース線、及び半導体基板に0Vの電圧を印加する。
書き込みベリファイと同様に、選択したメモリセルM11のメモリ素子Tr12、Tr13のオン及びオフによる電流によりチェックを行う。読み出し動作のときにコントロールゲート線CG1に印加する読み出し電圧を1Vとする場合、書き込みベリファイ時にコントロールゲート線CG1に印加する電圧を2V、消去ベリファイ時にコントロールゲート線CG1に印加する電圧を0Vとすれば、書き込み及び消去ともに、閾値電圧に対して1Vのマージンを確保することができる。また、これにより、予め定めた消去状態の閾値電圧、あるいは、読み出し電圧以下にメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧が変化しているか否かを検出することが可能となる。
(Erase verify operation)
When performing erase verify, which is a check of the threshold voltage of the erased memory cell, for example, a voltage of 0 V is applied to the control gate line CG1, and a voltage of 0 V is applied to the other control gate lines. Further, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1, SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. Further, a voltage of 1V is applied to the drain terminal D1, and a voltage of 0V is applied to the other drain terminal. Further, a voltage of 0 V is applied to all the source lines and the semiconductor substrate.
Similar to the write verify, the check is performed by the current caused by turning on and off the memory elements Tr12 and Tr13 of the selected memory cell M11. When the read voltage applied to the control gate line CG1 during the read operation is 1V, the voltage applied to the control gate line CG1 during the write verify is 2V, and the voltage applied to the control gate line CG1 during the erase verify is 0V. For both writing and erasing, a margin of 1 V with respect to the threshold voltage can be secured. This also makes it possible to detect whether the threshold voltage of the memory elements Tr12 and Tr13 has changed below a predetermined erase state threshold voltage or read voltage.

次に、図12は、メモリセルアレイ21のページ書き込み、ページ消去及びページ読み出しの動作における印加電圧を示した図である。図示するように、マトリックス状に配置された不揮発性半導体メモリセル1のメモリセルM11〜M1nに対して、行単位で一括に書き込みを行うページ書き込み、行単位で一括に消去を行うページ消去の動作を示している。   Next, FIG. 12 is a diagram showing applied voltages in page write, page erase, and page read operations of the memory cell array 21. As shown in the figure, page write for performing batch write in row units and page erase for performing batch erase in row units for the memory cells M11 to M1n of the nonvolatile semiconductor memory cells 1 arranged in a matrix. Is shown.

(ページ書き込みの動作)
ページ書き込みの動作は、全てのコントロールゲート線CG1〜CGnに12Vの電圧を印加し、セレクトゲート線SGD1、SGS1に7Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加し、全てのドレイン線、全てのソース端子及び半導体基板に0Vの電圧を印加する。
これにより、セレクトゲート線SGD1、SGS1に接続される全てのメモリセルM11〜M1nに対して同時に書き込みが行われる。
(Page write operation)
In the page write operation, a voltage of 12V is applied to all the control gate lines CG1 to CGn, a voltage of 7V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. A voltage of 0 V is applied to the drain line, all source terminals and the semiconductor substrate.
As a result, writing is simultaneously performed on all the memory cells M11 to M1n connected to the select gate lines SGD1 and SGS1.

(ページ消去の動作)
ページ消去の動作は、全てのドレイン線及び全てのソース線に10Vの電圧を印加し、セレクトゲート線SGD1、SGS1に12Vの電圧を印加し、他のセレクトゲート線に0Vの電圧を印加し、全てのコントロールゲート線及び半導体基板に0Vの電圧を印加する
これにより、セレクトゲート線SGD1、SGS1に接続される全てのメモリセルM11〜M1nに対して同時に消去が行われる。
(Page erase operation)
In the page erase operation, a voltage of 10V is applied to all drain lines and all source lines, a voltage of 12V is applied to the select gate lines SGD1, SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines. By applying a voltage of 0 V to all the control gate lines and the semiconductor substrate, all the memory cells M11 to M1n connected to the select gate lines SGD1 and SGS1 are erased simultaneously.

上述のように、不揮発性半導体メモリセル1をマトリックス状に配置し、ドレイン端子D、ソース端子S、セレクトゲート端子SGD、SGS及びコントロールゲート端子CGを接続することにより、複数のデータを記憶するメモリセルアレイ21を構成することができる。また、上下に隣接する不揮発性半導体メモリセル1において、選択トランジスタTr11のドレインであるn型拡散層204及びコンタクト207aを共用し、更に、選択トランジスタTr14のソースであるn型拡散層205及びコンタクト207bを共用する。これにより、配置に要する面積を削減することが可能である。   As described above, the non-volatile semiconductor memory cells 1 are arranged in a matrix, and the drain terminal D, the source terminal S, the select gate terminals SGD, SGS, and the control gate terminal CG are connected to store a plurality of data. The cell array 21 can be configured. Further, in the vertically adjacent nonvolatile semiconductor memory cells 1, the n-type diffusion layer 204 and the contact 207a that are the drains of the selection transistor Tr11 are shared, and the n-type diffusion layer 205 and the contact 207b that are the sources of the selection transistor Tr14. Share. Thereby, the area required for arrangement can be reduced.

(第4実施形態)
図13は、第3実施形態のメモリセルアレイ21を用いた不揮発性半導体メモリ装置150の構成を示した概略図である。図示するように、不揮発性半導体メモリ装置150は、制御部160、センスアンプ回路156、スイッチSWG1〜SWGn、SWG1B〜SWGnB、SWD1〜SWDn、SWS1〜SWSn、ゲート電源回路155に接続されるゲート電源線G、GB、ゲートデコーダ・ドライバ154に接続されるゲート選択線G1〜Gn、G1B〜GnB、ドレイン電源回路153に接続されるソース電源線SL及びドレイン電源線DL、列デコーダ・ドライバ152に接続される列選択線C1〜Cnを備える。
制御部160は、制御回路151、行デコーダ・ドライバROW1〜ROWm、列デコーダ・ドライバ152、ドレイン電源回路153、ゲートデコーダ・ドライバ154及びゲート電源回路155を備える。
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a nonvolatile semiconductor memory device 150 using the memory cell array 21 of the third embodiment. As illustrated, the nonvolatile semiconductor memory device 150 includes a control unit 160, a sense amplifier circuit 156, switches SWG1 to SWGn, SWG1B to SWGnB, SWD1 to SWDn, SWS1 to SWSn, and a gate power supply line connected to the gate power supply circuit 155. G, GB, gate selection lines G1 to Gn and G1B to GnB connected to the gate decoder / driver 154, source power supply lines SL and drain power supply lines DL connected to the drain power supply circuit 153, and column decoder / driver 152 Column selection lines C1 to Cn.
The control unit 160 includes a control circuit 151, row decoder / drivers ROW1 to ROWm, a column decoder / driver 152, a drain power supply circuit 153, a gate decoder / driver 154, and a gate power supply circuit 155.

メモリセルアレイ21は、複数の不揮発性半導体メモリセル1をマトリックス状に配置して構成される。同じ列の不揮発性半導体メモリセル1各々は、ドレイン端子D、ソース端子S及びコントロールゲート端子CGそれぞれが共通接続される。例えば、同じ列の不揮発性半導体メモリセルM11、M21、…、Mm1(以下、メモリセルM11、M21、…、Mm1)は、ドレイン端子Dがドレイン線D1に共通接続され、ソース端子Sがソース線S1共通接続され、コントロールゲート端子CGがコントロールゲート線CG1に共通接続される。
また、同じ行のメモリセル1各々は、セレクトゲート端子SGD、SGSそれぞれを共通接続する。例えば、同じ行のメモリセルM11、M12、…、M1nは、セレクトゲート端子SGDがセレクトゲート線SGD1に共通接続され、セレクトゲート線SGSがセレクトゲート線SGS1に共通接続される。
The memory cell array 21 is configured by arranging a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 in a matrix. In each of the nonvolatile semiconductor memory cells 1 in the same column, the drain terminal D, the source terminal S, and the control gate terminal CG are commonly connected. For example, in the same column of nonvolatile semiconductor memory cells M11, M21,..., Mm1 (hereinafter, memory cells M11, M21,..., Mm1), the drain terminal D is commonly connected to the drain line D1, and the source terminal S is the source line. S1 is commonly connected, and the control gate terminal CG is commonly connected to the control gate line CG1.
In addition, each of the memory cells 1 in the same row commonly connects the select gate terminals SGD and SGS. For example, in the memory cells M11, M12,..., M1n in the same row, the select gate terminal SGD is commonly connected to the select gate line SGD1, and the select gate line SGS is commonly connected to the select gate line SGS1.

スイッチSWD1〜SWDn(第1のスイッチ)は、対応するドレイン線D1〜Dnとドレイン電源線DLとの間に設けられる。スイッチSWS1〜SWSn(第2のスイッチ)は、対応するソース線S1〜Snとソース電源線SLとの間に設けられる。スイッチSWG1〜SWGn(第3のスイッチ)は、対応するコントロールゲート線CG1〜CGnとゲート電源線Gとの間に設けられる。スイッチSWG1B〜SWGnB(第4のスイッチ)は、対応するコントロールゲート線CG1〜CGnとゲート電源線GBとの間に設けられる。   The switches SWD1 to SWDn (first switch) are provided between the corresponding drain lines D1 to Dn and the drain power supply line DL. Switches SWS1 to SWSn (second switches) are provided between corresponding source lines S1 to Sn and source power supply line SL. The switches SWG1 to SWGn (third switch) are provided between the corresponding control gate lines CG1 to CGn and the gate power supply line G. The switches SWG1B to SWGnB (fourth switch) are provided between the corresponding control gate lines CG1 to CGn and the gate power supply line GB.

制御回路151には、書き込み、消去、読み出し、書き込みベリファイ及び消去ベリファイのいずれかの動作を示す命令信号が入力される。また、制御回路151は、入力された命令信号をデコードしてゲート電源回路155、ゲートデコーダ・ドライバ154、ドレイン電源回路153、列デコーダ・ドライバ152及び行デコーダ・ドライバROW1〜ROWmそれぞれに印加する電圧を示す制御信号を出力する。ここで、制御信号により示される電圧は、図10〜図12で示された電圧である。
ゲート電源回路155は、制御回路151から入力される制御信号に基づいてゲート線G及びゲート線GBに図10〜図12に示したコントロールゲート端子CGに印加する電圧を出力する制御を行う。このとき、ゲート電源線Gに印加される電圧は、メモリセルM11〜Mmnのうち選択されたメモリセルが有するコントロールゲート端子CGに印加される電圧である。一方、ゲート電源線GBに印加される電圧は、非選択の不揮発性半導体メモリセル1のコントロールゲート端子CGに印加される電圧である。
The control circuit 151 receives a command signal indicating any of write, erase, read, write verify, and erase verify operations. In addition, the control circuit 151 decodes the input command signal and applies voltages to the gate power supply circuit 155, the gate decoder / driver 154, the drain power supply circuit 153, the column decoder / driver 152, and the row decoder / driver ROW1 to ROWm. A control signal indicating is output. Here, the voltage indicated by the control signal is the voltage shown in FIGS.
The gate power supply circuit 155 performs control to output a voltage applied to the control gate terminal CG shown in FIGS. 10 to 12 to the gate line G and the gate line GB based on the control signal input from the control circuit 151. At this time, the voltage applied to the gate power supply line G is a voltage applied to the control gate terminal CG included in the selected memory cell among the memory cells M11 to Mmn. On the other hand, the voltage applied to the gate power supply line GB is a voltage applied to the control gate terminal CG of the non-selected nonvolatile semiconductor memory cell 1.

ゲートドライバ154には、外部からメモリセルM11〜Mmnを選択するアドレス信号と、制御回路151から制御信号とが入力される。また、ゲートドライバ154は、入力されたアドレス信号及び制御信号に基づいて、ゲート線G1〜Gn、G1B〜GnBを介してスイッチSWG1〜SWGn、SWG1B〜SWGnBのゲートに電圧を印加してオン及びオフを切り替え、アドレス信号により選択されたメモリセルを含む列のコントロールゲート線にゲート線Gを接続し、他の列にゲート線GBを接続する。
ドレイン電源回路153は、制御回路151から入力された制御信号に基づいて、ドレイン線DLとソース線SLに電圧を印加する。ここで、ドレイン電源回路153がドレイン電源線DLに印加する電圧は、図10〜図12に示したドレイン端子Dに印加する電圧である。また、ドレイン電源回路153がソース電源線SLに印加する電圧は、図10〜図12に示したソース端子Sに印加する電圧である。
列デコーダ・ドライバ152には、外部からメモリセルM11〜Mmnを選択するアドレス信号と、制御回路151から制御信号とが入力される。また、列デコーダ・ドライバ152は、入力されたアドレス信号及び制御信号に基づいて、列選択線C1〜Cnを介してスイッチSWD1〜SWDnのゲートに電圧を印加してオン及びオフを切り替え、アドレス信号により選択されたメモリセルを含む行のドレイン線とドレイン電源線DLを接続する。また、列デコーダ・ドライバ152は、入力されたアドレス信号及び制御信号に基づいて、列選択線C1〜Cnを介してスイッチSWS1〜SWSnのゲートに電圧を印加してオン及びオフを切り替え、アドレス信号により選択されたメモリセルを含む行のソース線とソース電源線SLを接続する。
An address signal for selecting the memory cells M11 to Mmn and a control signal from the control circuit 151 are input to the gate driver 154 from the outside. The gate driver 154 applies a voltage to the gates of the switches SWG1 to SWGn and SWG1B to SWGnB via the gate lines G1 to Gn and G1B to GnB based on the input address signal and control signal, and turns on and off. The gate line G is connected to the control gate line of the column including the memory cell selected by the address signal, and the gate line GB is connected to the other column.
The drain power supply circuit 153 applies a voltage to the drain line DL and the source line SL based on the control signal input from the control circuit 151. Here, the voltage applied to the drain power supply line DL by the drain power supply circuit 153 is a voltage applied to the drain terminal D shown in FIGS. The voltage applied to the source power supply line SL by the drain power supply circuit 153 is the voltage applied to the source terminal S shown in FIGS.
The column decoder / driver 152 receives an address signal for selecting the memory cells M11 to Mmn from the outside and a control signal from the control circuit 151. In addition, the column decoder / driver 152 switches on and off by applying a voltage to the gates of the switches SWD1 to SWDn via the column selection lines C1 to Cn based on the input address signal and control signal, thereby switching the address signal. The drain line of the row including the memory cell selected by the above and the drain power supply line DL are connected. Further, the column decoder / driver 152 switches on and off by applying a voltage to the gates of the switches SWS1 to SWSn via the column selection lines C1 to Cn based on the input address signal and control signal, and the address signal The source line of the row including the memory cell selected by the above and the source power line SL are connected.

行デコーダ・ドライバROW1〜ROWmには、外部からメモリセルM11〜Mmnを選択するアドレス信号と、制御回路151から制御信号とが入力される。また、行デコーダ・ドライバROW1〜ROWmは、入力されたアドレス信号をデコードして、それぞれに対応する行に選択されたメモリセルが含まれているか否かを判定する。更に、行デコーダ・ドライバROW1〜ROWmは、それぞれが対応する行に選択されたメモリセルが含まれるとき、図10〜図12に示された「選択セル」に対応する電圧をセレクトゲート線に印加する。また、行デコーダ・ドライバROW1〜ROWmは、それぞれが対応する行に選択されたメモリセルが含まれないとき、図10〜図12に示された「非選択セル」に対応する電圧をセレクトゲート線に印加する。
センスアンプ回路156は、読み出しの動作において、ドレイン電源線DLに流れる電流を検出及び増幅を行い、外部に読み出したデータを出力する。
An address signal for selecting the memory cells M11 to Mmn and a control signal from the control circuit 151 are input to the row decoder / drivers ROW1 to ROWm. In addition, the row decoder / drivers ROW1 to ROWm decode the input address signals and determine whether or not the selected memory cell is included in the corresponding row. Further, the row decoder / drivers ROW1 to ROWm apply a voltage corresponding to the “selected cell” shown in FIGS. 10 to 12 to the select gate line when the selected memory cell is included in the corresponding row. To do. The row decoder / drivers ROW1 to ROWm select voltages corresponding to the “non-selected cells” shown in FIGS. 10 to 12 when the selected memory cell is not included in the corresponding row. Apply to.
In the read operation, the sense amplifier circuit 156 detects and amplifies the current flowing through the drain power supply line DL, and outputs the read data to the outside.

このように、不揮発性半導体メモリ装置150を構成することで、不揮発性半導体メモリセル1を用いたメモリセルアレイ21を制御し、データの書き込み、消去及び読み出しを行うことができる。   In this way, by configuring the nonvolatile semiconductor memory device 150, the memory cell array 21 using the nonvolatile semiconductor memory cell 1 can be controlled, and data can be written, erased, and read.

(第5実施形態)
図14は、複数の不揮発性半導体メモリセル1(メモリセルM11a〜メモリセルMmna)を行方向及び列方向にマトリックス状に配置したメモリセルアレイ22の構成を示す概略図である。メモリセルアレイ22は、第3実施形態の図8で示したメモリセルアレイ21に対して、書き込みベリファイ及び消去ベリファイをメモリ素子Tr12、Tr13それぞれ個別に行える変更が加えてある。
メモリセルアレイ22に備えられる不揮発性半導体メモリセル1それぞれに、2つのコントロールゲート信号を用いて、メモリ素子Tr12、Tr13に異なるコントロールゲート信号をゲートに印加する。図示するように、例えば、同じ列のメモリセルアレイM11a〜Mm1aは、メモリ素子Tr12のゲートがコントロールゲート線CG1に接続され、メモリ素子Tr13のゲートがコントロールゲート線CG2に接続される。また、隣接する列のメモリセルアレイM12a〜Mm2aは、メモリ素子Tr12のゲートがコントロールゲート線CG2に接続され、メモリ素子Tr13のゲートがコントロールゲート線CG3に接続される。
(Fifth embodiment)
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a memory cell array 22 in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 (memory cells M11a to Mmna) are arranged in a matrix in the row direction and the column direction. The memory cell array 22 is different from the memory cell array 21 shown in FIG. 8 of the third embodiment in that the write verify and erase verify can be performed individually for the memory elements Tr12 and Tr13.
Different control gate signals are applied to the gates of the memory elements Tr12 and Tr13 in the nonvolatile semiconductor memory cells 1 provided in the memory cell array 22 by using two control gate signals. As illustrated, for example, in the memory cell arrays M11a to Mm1a in the same column, the gate of the memory element Tr12 is connected to the control gate line CG1, and the gate of the memory element Tr13 is connected to the control gate line CG2. In the memory cell arrays M12a to Mm2a in adjacent columns, the gate of the memory element Tr12 is connected to the control gate line CG2, and the gate of the memory element Tr13 is connected to the control gate line CG3.

また、更に隣接する列のメモリセルアレイM13a〜Mm3aは、メモリ素子Tr12のゲートがコントロールゲート線CG3に接続され、メモリ素子Tr13のゲートがコントロールゲート線CG4に接続される。行方向に隣接する不揮発性半導体メモリセル1は、互いに、メモリ素子Tr12、Tr13のゲートに接続されるコントロールゲート線を共有する。言い換えると、不揮発性半導体メモリセル1は、行方向(横方向)に隣接する不揮発性半導体メモリセル1の一方とメモリ素子Tr12、Tr13のいずれか一方のゲートに接続するコントロールゲート線を共用し、隣接する他方の不揮発性半導体メモリセル1の他方とメモリ素子Tr12、Tr13のいずれか他方のゲートに接続するコントロールゲート線を共用する。
このようにすると、書き込みベリファイ及び消去ベリファイにおいて、不揮発性半導体メモリセル1が有する直列に接続されたメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧を独立にベリファイすることができ、第3実施形態のメモリセルアレイ21に比べ、正確な閾値電圧の判定をすることが可能となる。
Further, in the memory cell arrays M13a to Mm3a in further adjacent columns, the gate of the memory element Tr12 is connected to the control gate line CG3, and the gate of the memory element Tr13 is connected to the control gate line CG4. The non-volatile semiconductor memory cells 1 adjacent in the row direction share a control gate line connected to the gates of the memory elements Tr12 and Tr13. In other words, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 shares a control gate line connected to one of the nonvolatile semiconductor memory cells 1 adjacent in the row direction (lateral direction) and one of the gates of the memory elements Tr12 and Tr13. A control gate line connected to the other of the other adjacent nonvolatile semiconductor memory cells 1 and one of the gates of the memory elements Tr12 and Tr13 is shared.
In this way, in the write verify and erase verify, the threshold voltages of the memory elements Tr12 and Tr13 connected in series included in the nonvolatile semiconductor memory cell 1 can be independently verified, and the memory cell array 21 of the third embodiment. Compared to the above, it becomes possible to accurately determine the threshold voltage.

図15は、メモリセルアレイ22のレイアウトを示した概略図である。メモリセルアレイ22に備えられた複数の不揮発性半導体メモリセル1(メモリセルM11a〜Mmna)は、同様にマトリックス状に列方向及び行方向に平行に配置されている。ここでは、不揮発性半導体メモリセル1のレイアウトの説明を、メモリセルM11aのレイアウトを用いて行う。
メモリセルM11aにおいて、トランジスタ形成部220には、図7で示したように、n型拡散層204(第1のn型拡散層)、ポリシリコン214a(第1のポリシリコン)、n型拡散層216(第2のn型拡散層)、ポリシリコン203a(第2のポリシリコン)、n型拡散層217(第3のn型拡散層)、ポリシリコン203b(第3のポリシリコン)、n型拡散層218(第4のn型拡散層)、ポリシリコン214b(第4のポリシリコン)、n型拡散層205(第5のn型拡散層)が順に直列方向に形成される。
FIG. 15 is a schematic diagram showing a layout of the memory cell array 22. The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 (memory cells M11a to Mmna) provided in the memory cell array 22 are similarly arranged in a matrix in parallel in the column direction and the row direction. Here, the layout of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 will be described using the layout of the memory cell M11a.
In the memory cell M11a, as shown in FIG. 7, the transistor formation unit 220 includes an n-type diffusion layer 204 (first n-type diffusion layer), polysilicon 214a (first polysilicon), n-type diffusion layer. 216 (second n-type diffusion layer), polysilicon 203a (second polysilicon), n-type diffusion layer 217 (third n-type diffusion layer), polysilicon 203b (third polysilicon), n-type A diffusion layer 218 (fourth n-type diffusion layer), polysilicon 214b (fourth polysilicon), and n-type diffusion layer 205 (fifth n-type diffusion layer) are formed in series in this order.

n型拡散層204は、選択トランジスタTr11のドレインである。n型拡散層216は、選択トランジスタTr11のソース及びメモリ素子Tr12のドレインである。n型拡散層217は、メモリ素子Tr12のソース及びメモリ素子Tr13のドレインである。n型拡散層218は、メモリ素子Tr13のソース及び選択トランジスタTr14のドレインである。n型拡散層205は、選択トランジスタTr14のソースである。
n型拡散層204、216は、選択トランジスタTr11のチャネルが形成されるゲート領域部215aを介して対向して配置される。n型拡散層216、217は、メモリ素子Tr12のチャネルが形成されるゲート領域部206aを介して対向して配置される。n型拡散層217、218は、メモリ素子Tr13のチャネルが形成されるゲート領域部206bを介して対向して配置される。n型拡散層218、205は、選択トランジスタTr14のチャネルが形成されるゲート領域部215bを介して対向して配置される。
The n-type diffusion layer 204 is the drain of the selection transistor Tr11. The n-type diffusion layer 216 is the source of the selection transistor Tr11 and the drain of the memory element Tr12. The n-type diffusion layer 217 is a source of the memory element Tr12 and a drain of the memory element Tr13. The n-type diffusion layer 218 is the source of the memory element Tr13 and the drain of the selection transistor Tr14. The n-type diffusion layer 205 is the source of the selection transistor Tr14.
The n-type diffusion layers 204 and 216 are arranged to face each other via the gate region portion 215a where the channel of the selection transistor Tr11 is formed. The n-type diffusion layers 216 and 217 are arranged to face each other via the gate region portion 206a where the channel of the memory element Tr12 is formed. The n-type diffusion layers 217 and 218 are arranged to face each other via the gate region portion 206b where the channel of the memory element Tr13 is formed. The n-type diffusion layers 218 and 205 are arranged to face each other via the gate region portion 215b where the channel of the selection transistor Tr14 is formed.

n+型拡散層219a(第6の拡散層)とn+型拡散層219b(第7の拡散層)は、トランジスタ形成部220に沿って、両側に配置され、直列方向に形成される。また、n+型拡散層219aは、コンタクト212a、212bを介してコントロールゲート線CG1(第1のメタル配線)に接続される。また、n+型拡散層219bは、コンタクト222a、222bを介してコントロールゲート線CG2(第2のメタル配線)に接続される。
ポリシリコン203aは、ゲート領域部206aの上部に設けられ、n+型拡散層219aと交わる位置に配置され、メモリ素子Tr12のフローティングゲートを構成する。ポリシリコン203bは、ゲート領域部206bの上部に設けられ、n+型拡散層219bと交わる位置に配置され、メモリ素子Tr13のフローティングゲートを構成する。
The n + -type diffusion layer 219a (sixth diffusion layer) and the n + -type diffusion layer 219b (seventh diffusion layer) are arranged on both sides along the transistor formation portion 220 and are formed in the series direction. The n + -type diffusion layer 219a is connected to the control gate line CG1 (first metal wiring) via contacts 212a and 212b. The n + -type diffusion layer 219b is connected to the control gate line CG2 (second metal wiring) via the contacts 222a and 222b.
The polysilicon 203a is provided above the gate region 206a and is disposed at a position where it intersects with the n + -type diffusion layer 219a, and constitutes a floating gate of the memory element Tr12. The polysilicon 203b is provided above the gate region 206b and is disposed at a position where it intersects with the n + -type diffusion layer 219b, and constitutes a floating gate of the memory element Tr13.

メモリセルアレイ22において、メモリセルM11a〜Mmnaは、行方向及び列方向にマトリックス状に平行に配置される。
メモリセルM11a〜Mmnaは、列方向に隣接する一方のメモリセルと、互いに、選択トランジスタTr11のドレインであるn型拡散層204及びコンタクト207aを共用し、隣接する他方のメモリセルと、互いに、選択トランジスタTr14のソースであるn型拡散層205及びコンタクト207bを共用し、列方向に隣接するメモリセルのn+型拡散層219a、219bは接続される。また、列方向に隣接するメモリセルM11a〜Mmnaは、互いに直列方向と垂直方向に対して、対称に配置される。
In the memory cell array 22, the memory cells M11a to Mmna are arranged in parallel in a matrix in the row direction and the column direction.
The memory cells M11a to Mmna share the n-type diffusion layer 204 and the contact 207a, which are drains of the selection transistor Tr11, with one adjacent memory cell in the column direction, and select each other with the other adjacent memory cell. The n + type diffusion layer 205 and the contact 207b which are the sources of the transistor Tr14 are shared, and the n + type diffusion layers 219a and 219b of the memory cells adjacent in the column direction are connected. The memory cells M11a to Mmna adjacent in the column direction are arranged symmetrically with respect to the series direction and the vertical direction.

行方向に隣接するメモリセルM11a〜Mmnaそれぞれが有するポリシリコン203aは、行方向に隣接するメモリセルのいずれか一方のメモリセルとn+型拡散層219aを共用し、メモリセルM11a〜Mmnaそれぞれが有するポリシリコン203bは、隣接する他方のメモリセルとn+型拡散層219bを共用する。例えば、行方向に隣接するメモリセルM11aとメモリセルM12aとの間では、n+型拡散層219b、及びn+型拡散層219bが接続されたコントロールゲート線CG2が共用される。   The polysilicon 203a included in each of the memory cells M11a to Mmna adjacent in the row direction shares the n + -type diffusion layer 219a with any one of the memory cells adjacent in the row direction, and each of the memory cells M11a to Mmna includes The polysilicon 203b shares the n + type diffusion layer 219b with the other adjacent memory cell. For example, between the memory cell M11a and the memory cell M12a adjacent in the row direction, the n + type diffusion layer 219b and the control gate line CG2 to which the n + type diffusion layer 219b is connected are shared.

また、マトリックスの列ごとにドレイン線D1〜Dn、ソース線S1〜Snが設けられる。また、ドレイン線D1〜Dnは、それぞれの列のメモリセルが有するn型拡散層204とコンタクト207aを介して共通接続される。また、ソース線S1〜Snは、それぞれの列のメモリセルが有するn型拡散層205とコンタクト207bを介して共通接続される。   In addition, drain lines D1 to Dn and source lines S1 to Sn are provided for each column of the matrix. The drain lines D1 to Dn are commonly connected to the n-type diffusion layer 204 included in each column of memory cells via a contact 207a. The source lines S1 to Sn are commonly connected to the n-type diffusion layer 205 included in each column of memory cells via a contact 207b.

このように配置されるメモリセルアレイ22は、それぞれの不揮発性半導体メモリセル1に備えられるメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧を独立にチェックできる構成になっている。このように、閾値電圧を独立にチェックできるようにしたが、メモリ素子Tr13のフローティングゲート電極であるポリシリコン203bの配置位置を移動させたのみであるため、レイアウト面積の増加は殆どなく実装することが可能である。   The memory cell array 22 arranged in this way is configured to be able to independently check the threshold voltages of the memory elements Tr12 and Tr13 provided in each nonvolatile semiconductor memory cell 1. As described above, the threshold voltage can be checked independently. However, since the arrangement position of the polysilicon 203b which is the floating gate electrode of the memory element Tr13 is only moved, the layout area is hardly increased. Is possible.

次に、図16は、メモリセルアレイ22の書き込み、消去、読み出し及びベリファイの動作における印加電圧の一例を示す図である。図示するように、メモリセルM11が選択された場合の書き込み、消去、読み出し、及び書き込みベリファイの動作を示している。以下、それぞれの動作について、説明する。なお、選択トランジスタTr11、Tr14の閾値電圧は1Vとする。   Next, FIG. 16 is a diagram illustrating an example of applied voltages in the write, erase, read, and verify operations of the memory cell array 22. As shown in the figure, write, erase, read, and write verify operations when the memory cell M11 is selected are shown. Hereinafter, each operation will be described. Note that the threshold voltage of the selection transistors Tr11 and Tr14 is 1V.

(書き込みの動作)
書き込みの動作は、コントロールゲート線CG1、CG2に12Vの電圧を印加し、コントロールゲート線CG3に0Vの電圧を印加する。また、セレクトゲート線SGD1、SGS1に5Vの電圧を印加し、セレクトゲート線SGD2、SGS2に5Vの電圧を印加する。また、ドレイン線D1に0Vの電圧を印加し、ドレイン線D2に5Vの電圧を印加する。また、ソース線S1に0Vの電圧を印加し、ソース線S2に5Vの電圧を印加する。予め定めた時間が経過した後に、セレクトゲート線SGD2、SGS2に印加している電圧を5Vから0Vに変化させる。更にその後に、コントロールゲート線CG1、CG2に12Vの電圧を印加する。
(Write operation)
In the write operation, a voltage of 12V is applied to the control gate lines CG1 and CG2, and a voltage of 0V is applied to the control gate line CG3. Further, a voltage of 5V is applied to the select gate lines SGD1, SGS1, and a voltage of 5V is applied to the select gate lines SGD2, SGS2. Further, a voltage of 0V is applied to the drain line D1, and a voltage of 5V is applied to the drain line D2. Further, a voltage of 0V is applied to the source line S1, and a voltage of 5V is applied to the source line S2. After a predetermined time has elapsed, the voltage applied to the select gate lines SGD2 and SGS2 is changed from 5V to 0V. Thereafter, a voltage of 12V is applied to the control gate lines CG1 and CG2.

これにより、選択されたメモリセルM11のメモリ素子Tr12、Tr13には、図4で示した書き込み2と同様に、FN電流による書き込みが行われる。
選択されたメモリセルM11と同じ列に含まれるメモリセルM21は、セレクトゲート線SGD2、SGS2に5Vの電圧が印加される間にメモリ素子Tr12、Tr13のソース、ドレイン及びチャネル(Vdrain)を0Vの電圧に放電され、後にセレクトゲート線SGD2、SGS2に印加される電圧が0Vに変化して選択トランジスタTr11、Tr14がオフなる。更に後に、コントロールゲート線CG1、CG2に12Vの電圧が印加されることで、図6に示したカップリングにより、フローティングゲートの電圧Vdrainが約5.8Vとなり、メモリ素子Tr12、Tr13に加わる電界が緩和され、メモリセルM21には書き込みが行われない。
Thereby, writing by the FN current is performed in the memory elements Tr12 and Tr13 of the selected memory cell M11 as in the writing 2 shown in FIG.
The memory cell M21 included in the same column as the selected memory cell M11 has the source, drain, and channel (Vdrain) of the memory elements Tr12 and Tr13 of 0V while the voltage of 5V is applied to the select gate lines SGD2 and SGS2. The voltage that is discharged to the voltage and then applied to the select gate lines SGD2, SGS2 changes to 0V, and the select transistors Tr11, Tr14 are turned off. Further, when a voltage of 12V is applied to the control gate lines CG1 and CG2, the voltage Vdrain of the floating gate becomes about 5.8V by the coupling shown in FIG. 6, and the electric field applied to the memory elements Tr12 and Tr13 is increased. As a result, the memory cell M21 is not written.

また、選択されたメモリセルM11と同じ行に含まれるメモリセルM12は、メモリ素子Tr12のコントロールゲートには12Vの電圧が印加されるが、ドレイン端子D、ソース端子S、セレクトゲート端子SGD、SGSに5Vの電圧が印加されるため、メモリ素子Tr12、Tr13のドレインあるいはソースには約4V(5V−選択トランジスタの閾値電圧)の電圧が印加され、加えられる電界が緩和されて、メモリセルM12には書き込みが行われない。
更に、メモリセルM22は、ドレイン端子D及びソース端子Sに5Vの電圧が印加され、セレクトゲート線SGD2、SGS2からセレクトゲート端子SGD、SGSに5Vの電圧が印加される。これにより、メモリ素子Tr12、Tr13のドレインあるいはソースを約4Vに充電される。後に、セレクトゲート線SGD2、SGS2に印加される電圧が0Vになり、更に後に、コントロールゲート線CG2に印加される電圧が12Vに変化するが、メモリ素子Tr12、Tr13のドレインあるいはソースに約4Vの電圧がチャージされているため、加えられる電界が緩和され、メモリセルM22には書き込みが行われない。
In the memory cell M12 included in the same row as the selected memory cell M11, a voltage of 12 V is applied to the control gate of the memory element Tr12, but the drain terminal D, the source terminal S, the select gate terminals SGD, SGS. Since a voltage of 5 V is applied to the drains or sources of the memory elements Tr12 and Tr13, a voltage of about 4 V (5 V—the threshold voltage of the selection transistor) is applied, the applied electric field is relaxed, and the memory cell M12 is applied. Is not written.
Further, in the memory cell M22, a voltage of 5V is applied to the drain terminal D and the source terminal S, and a voltage of 5V is applied from the select gate lines SGD2, SGS2 to the select gate terminals SGD, SGS. As a result, the drains or sources of the memory elements Tr12 and Tr13 are charged to about 4V. Later, the voltage applied to the select gate lines SGD2 and SGS2 becomes 0V, and later, the voltage applied to the control gate line CG2 changes to 12V, but about 4V is applied to the drain or source of the memory elements Tr12 and Tr13. Since the voltage is charged, the applied electric field is relaxed, and writing is not performed in the memory cell M22.

(消去の動作)
次に、消去の動作について説明する。消去の動作は、全てのコントロールゲート線CG1〜CGnに0Vの電圧が印加される。また、セレクトゲート線SGD1、SGS1に12Vの電圧が印加され、他のセレクトゲート線SGD2〜SGDm、SGS2〜SGSmに0Vの電圧が印加される。また、ドレイン線D1及びソース線S1に10Vの電圧が印加され、ドレイン線D2及びソース線S2に5Vの電圧が印加され、他のドレイン線D3〜Dn及びソース線S3〜Snに0Vの電圧が印加される。
これにより、選択されたメモリセルM11は、図4に示した消去2と同様に消去が行われる。選択されたメモリセルM11と同じ列に含まれるメモリセル、例えば、メモリセルM21は、選択トランジスタTr11、Tr14がオフのため、メモリ素子Tr12、Tr13に対して消去動作は行われず、記憶しているデータが保持される。選択されたメモリセルM11と同じ行に含まれるメモリセル、例えば、メモリセルM12は、選択トランジスタTr11、Tr14のゲートに12Vの電圧が印加されオンであり、メモリ素子Tr12のドレイン及びメモリ素子Tr13のソースに約5Vの電圧が印加されるが、加えられる電界が弱く消去は行われず、記憶しているデータが保持される。他のメモリセルには、電圧が印加されず、消去の動作が行われない。
(Erase operation)
Next, the erase operation will be described. In the erasing operation, a voltage of 0 V is applied to all the control gate lines CG1 to CGn. Further, a voltage of 12V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, and a voltage of 0V is applied to the other select gate lines SGD2 to SGDm and SGS2 to SGSm. Further, a voltage of 10V is applied to the drain line D1 and the source line S1, a voltage of 5V is applied to the drain line D2 and the source line S2, and a voltage of 0V is applied to the other drain lines D3 to Dn and the source lines S3 to Sn. Applied.
As a result, the selected memory cell M11 is erased in the same manner as the erase 2 shown in FIG. The memory cell included in the same column as the selected memory cell M11, for example, the memory cell M21, stores the memory elements Tr12 and Tr13 without performing the erasing operation because the selection transistors Tr11 and Tr14 are off. Data is retained. The memory cell included in the same row as the selected memory cell M11, for example, the memory cell M12, is turned on when a voltage of 12V is applied to the gates of the selection transistors Tr11 and Tr14, and the drain of the memory element Tr12 and the memory element Tr13 A voltage of about 5 V is applied to the source, but the applied electric field is weak and erasure is not performed, and the stored data is retained. No voltage is applied to the other memory cells, and no erase operation is performed.

(読み出しの動作)
読み出しの動作について説明する。読み出しの動作は、全てのコントロールゲート線CG1〜CGnに1Vの読み出し電圧を印加し、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、ドレイン線D1に1Vの電圧を印加し、ソース線S1、S2、ドレイン線D2、セレクトゲート線SGD2、SGS2に0Vの電圧を印加して行う。
これにより、選択されてメモリセルM11のみが図4に示した読み出し動作となり、メモリセルM11が記憶するデータが出力される。他のメモリセルは、セレクトゲート端子SGD、SGS、ドレイン端子D、ソース端子Sの全てに電圧が印加されないことから、読み出しが行われない。
(Read operation)
A reading operation will be described. In the read operation, a read voltage of 1V is applied to all the control gate lines CG1 to CGn, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, a voltage of 1V is applied to the drain line D1, and the source line S1. , S2, the drain line D2, and the select gate lines SGD2, SGS2 are applied with a voltage of 0V.
As a result, only the memory cell M11 is selected and the read operation shown in FIG. 4 is performed, and the data stored in the memory cell M11 is output. In other memory cells, no voltage is applied to all of the select gate terminals SGD, SGS, the drain terminal D, and the source terminal S, and therefore no reading is performed.

(ベリファイ)
ベリファイの動作について説明する。ベリファイは、メモリセルM11が有するメモリ素子Tr12、Tr13それぞれ個別に行う。メモリ素子Tr12に対するベリファイの動作は、コントロールゲート線CG2に5Vの電圧を印加し、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、ドレイン線D1に1Vの電圧を印加し、ソース線S0に0Vの電圧を印加し、コントロールゲート線CG1に印加する電圧を0〜3Vと可変にすることで行う。
これにより、メモリセルM11のメモリ素子Tr13のコントロールゲートに5Vの電圧を印加し、メモリ素子Tr12のコントロールゲートに0〜3Vの電圧を印加して、ドレイン線D1に流れる電流を計測することで、メモリ素子Tr12の閾値電圧を判定して、ベリファイすることができる。
(Verify)
The verify operation will be described. The verification is performed individually for each of the memory elements Tr12 and Tr13 included in the memory cell M11. In the verify operation for the memory element Tr12, a voltage of 5V is applied to the control gate line CG2, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, a voltage of 1V is applied to the drain line D1, and the source line S0 is applied. This is done by applying a voltage of 0V and changing the voltage applied to the control gate line CG1 to 0-3V.
Thereby, a voltage of 5V is applied to the control gate of the memory element Tr13 of the memory cell M11, a voltage of 0 to 3V is applied to the control gate of the memory element Tr12, and the current flowing through the drain line D1 is measured. The threshold voltage of the memory element Tr12 can be determined and verified.

また、メモリセルM11が有するメモリ素子Tr13に対しては、コントロールゲート線CG1に5Vの電圧を印加し、セレクトゲート線SGD1、SGS1に3Vの電圧を印加し、ドレイン線D1に1Vの電圧を印加し、ソース線S0に0Vの電圧を印加し、コントロールゲート線CG2に印加する電圧を0〜3Vと可変にすることで行う。
これにより、メモリセルM11のメモリ素子Tr12のコントロールゲートに5Vの電圧を印加し、メモリ素子Tr13のコントロールゲートに0〜3Vの電圧を印加して、ドレイン線D1に流れる電流を計測することで、メモリ素子Tr12の閾値電圧を判定して、ベリファイすることができる。言い換えれば、予め定めた書き込み状態の閾値電圧、あるいは、読み出し電圧以上にメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧が変化しているか否か、更に、予め定めた消去状態の閾値電圧、あるいは、読み出し電圧以下にメモリ素子Tr12、Tr13の閾値電圧が変化しているか否かを検出することが可能となる。
For the memory element Tr13 included in the memory cell M11, a voltage of 5V is applied to the control gate line CG1, a voltage of 3V is applied to the select gate lines SGD1 and SGS1, and a voltage of 1V is applied to the drain line D1. Then, a voltage of 0V is applied to the source line S0, and the voltage applied to the control gate line CG2 is varied from 0 to 3V.
Thereby, a voltage of 5V is applied to the control gate of the memory element Tr12 of the memory cell M11, a voltage of 0 to 3V is applied to the control gate of the memory element Tr13, and the current flowing through the drain line D1 is measured. The threshold voltage of the memory element Tr12 can be determined and verified. In other words, whether or not the threshold voltage of the memory elements Tr12 and Tr13 has changed more than a predetermined write state threshold voltage or a read voltage, and further is less than or equal to a predetermined erase state threshold voltage or a read voltage. In addition, it is possible to detect whether or not the threshold voltages of the memory elements Tr12 and Tr13 have changed.

上述のように、メモリセルアレイ22が有する複数の不揮発性半導体メモリセル1に備えられる2つのメモリ素子Tr12、Tr13のそれぞれのゲートに対して、異なるコントロールゲート線を接続する構成により、不揮発性半導体メモリセル1に備えられるメモリ素子Tr12、Tr13それぞれ独立にベリファイを行うことが可能となる。更に、行方向及び列方向のマトリックス状に配置された複数の不揮発性半導体メモリセル1の行方向に互いに隣接する不揮発性半導体メモリセル1において、コントロールゲート線を共有する構成により、メモリセルアレイ22の配置に要する面積を増加させることなく、ベリファイの機能を向上させることが可能となる。   As described above, the nonvolatile semiconductor memory has a configuration in which different control gate lines are connected to the gates of the two memory elements Tr12 and Tr13 provided in the plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 included in the memory cell array 22. Verification can be performed independently for each of the memory elements Tr12 and Tr13 provided in the cell 1. Further, the nonvolatile semiconductor memory cells 1 adjacent to each other in the row direction of the plurality of nonvolatile semiconductor memory cells 1 arranged in a matrix in the row direction and the column direction share a control gate line. The verify function can be improved without increasing the area required for the arrangement.

(第6実施形態)
図17は、第6実施形態の不揮発性半導体メモリセル30を2層ポリシリコンのMOSプロセスを用いたレイアウトの構成を示す概略図である。図17(a)は、不揮発性半導体メモリセル30のレイアウトを示す平面を示す概略図である。図17(b)は、図17(a)のA3−A’3に沿った断面構造を示す概略図である。レイアウト30は、図1に示す不揮発性半導体メモリセル1で示される等価回路と同じ構成である。
(Sixth embodiment)
FIG. 17 is a schematic diagram showing a layout configuration of the nonvolatile semiconductor memory cell 30 of the sixth embodiment using a two-layer polysilicon MOS process. FIG. 17A is a schematic diagram showing a plane showing a layout of the nonvolatile semiconductor memory cell 30. FIG. FIG. 17B is a schematic diagram showing a cross-sectional structure along A3-A′3 in FIG. The layout 30 has the same configuration as the equivalent circuit shown by the nonvolatile semiconductor memory cell 1 shown in FIG.

p型半導体基板300上のトランジスタ形成部320は、n型拡散層304、ポリシリコン314a、n型拡散層316、ポリシリコン319a、n型拡散層317、ポリシリコン319b、n型拡散層318、ポリシリコン314b、n型拡散層305が順に直列方向(第1の方向)に配置された領域である。
n型拡散層304、316は、選択トランジスタTr11のチャネルが形成されるゲート領域部315aを介して対向して配置される。n型拡散層316、317は、メモリ素子Tr12のチャネルが形成されるゲート領域部306aを介して対向して配置される。n型拡散層317、318は、メモリ素子Tr13のチャネルが形成されるゲート領域部306bを介して対向して配置される。n型拡散層318、305は、選択トランジスタTr14のチャネルが形成されるゲート領域部315bを介して対向して配置される。
The transistor formation part 320 on the p-type semiconductor substrate 300 includes an n-type diffusion layer 304, polysilicon 314a, n-type diffusion layer 316, polysilicon 319a, n-type diffusion layer 317, polysilicon 319b, n-type diffusion layer 318, poly This is a region in which the silicon 314b and the n-type diffusion layer 305 are sequentially arranged in the series direction (first direction).
The n-type diffusion layers 304 and 316 are disposed to face each other via the gate region portion 315a where the channel of the selection transistor Tr11 is formed. The n-type diffusion layers 316 and 317 are disposed to face each other via the gate region portion 306a where the channel of the memory element Tr12 is formed. The n-type diffusion layers 317 and 318 are arranged to face each other via the gate region portion 306b where the channel of the memory element Tr13 is formed. The n-type diffusion layers 318 and 305 are arranged to face each other via the gate region portion 315b where the channel of the selection transistor Tr14 is formed.

ポリシリコン314aは、選択トランジスタTr11のゲート電極である。ポリシリコン319aは、メモリ素子Tr12のコントロールゲート電極である。ポリシリコン319bは、メモリ素子Tr13のコントロールゲート電極である。ポリシリコン314bは、選択トランジスタTr14のゲート電極である。
ポリシリコン303aは、ポリシリコン319aとゲート領域部306aとの間に設けられ、メモリ素子Tr12のフローティングゲートを形成し、キャパシタを構成する。ポリシリコン303bは、ポリシリコン319bとゲート領域部306bとの間に設けられ、メモリ素子Tr13のフローティングゲートを形成し、キャパシタを構成する。
The polysilicon 314a is a gate electrode of the selection transistor Tr11. The polysilicon 319a is a control gate electrode of the memory element Tr12. The polysilicon 319b is a control gate electrode of the memory element Tr13. The polysilicon 314b is a gate electrode of the selection transistor Tr14.
The polysilicon 303a is provided between the polysilicon 319a and the gate region 306a, forms a floating gate of the memory element Tr12, and constitutes a capacitor. The polysilicon 303b is provided between the polysilicon 319b and the gate region 306b, forms a floating gate of the memory element Tr13, and constitutes a capacitor.

図18は、メモリセルアレイ31のレイアウトを示した概略図である。図示するように、不揮発性半導体メモリセル1(メモリセルM11b〜Mmnb)のレイアウト30を行方向及び列方向にマトリックス状に配置している。
トランジスタ形成部320の直列方向に配置される不揮発性半導体メモリセル30は、隣接する互いの選択トランジスタTr11のドレインであるn型拡散層304及びコンタクト307aを共用し、更に、選択トランジスタTr14のソースであるn型拡散層305及びコンタクト307bを共用する。また、直列方向に対して垂直方向に配置されるポリシリコン314a、319a、319b、314bは、当該方向に沿って配置される他の不揮発性半導体メモリセル30と、それぞれのポリシリコンが共通接続される。
FIG. 18 is a schematic diagram showing a layout of the memory cell array 31. As shown in the drawing, the layouts 30 of the nonvolatile semiconductor memory cells 1 (memory cells M11b to Mmnb) are arranged in a matrix in the row direction and the column direction.
The non-volatile semiconductor memory cells 30 arranged in the series direction of the transistor formation unit 320 share the n-type diffusion layer 304 and the contact 307a which are the drains of the adjacent selection transistors Tr11, and further, the source of the selection transistor Tr14. An n-type diffusion layer 305 and a contact 307b are shared. Further, the polysilicons 314a, 319a, 319b, and 314b arranged in the direction perpendicular to the series direction are commonly connected to the other nonvolatile semiconductor memory cells 30 arranged along the direction. The

また、直列方向に対して垂直方向にソース線S1〜Snは、行方向ごとにそれぞれ不揮発性半導体メモリセル30のn型拡散層305にコンタクト307bを介して、共通接続する。また、トランジスタ形成部320に沿って、平行に配置されるドレイン線D1〜Dnは、対応する各列の選択トランジスタTr11のドレインであるn型拡散層304にコンタクト307aを介して共通接続される。
なお、メモリセルアレイ31のデータの書き込み及び読み出しについては、図10で示した書き込み、消去、読み出し及び書き込みベリファイと同様の動作で行う。
Further, the source lines S1 to Sn are connected in common to the n-type diffusion layer 305 of the nonvolatile semiconductor memory cell 30 via the contact 307b in the row direction in the direction perpendicular to the series direction. Further, the drain lines D1 to Dn arranged in parallel along the transistor forming portion 320 are commonly connected to the n-type diffusion layer 304 that is the drain of the selection transistor Tr11 in each corresponding column via the contact 307a.
Note that writing and reading of data in the memory cell array 31 are performed in the same manner as the writing, erasing, reading, and writing verification shown in FIG.

2層ポリシリコンのMOSプロセスを用いることで、第1実施形態から第5実施形態で示した不揮発性半導体メモリセル1のレイアウトに比べ、トランジスタ形成部320に沿って、キャパシタを構成するn型拡散層又はn+型拡散層を配置しなくて良いため、実装に要する面積を削減することが可能である。また、1つのデータに対して2つのメモリ素子Tr12、Tr13を用いてデータを記憶することで、信頼性を向上させることが可能である。   Compared with the layout of the nonvolatile semiconductor memory cell 1 shown in the first to fifth embodiments, the n-type diffusion constituting the capacitor is formed along the transistor forming portion 320 by using the two-layer polysilicon MOS process. Since it is not necessary to dispose a layer or an n + type diffusion layer, it is possible to reduce the area required for mounting. Further, it is possible to improve reliability by storing data using two memory elements Tr12 and Tr13 for one data.

以上、第1実施形態から第5実施形態で示したように、第3実施形態のメモリセルアレイ21のレイアウト、あるいは、第4実施形態のメモリセルアレイ22のレイアウトを用いることで、1層ポリシリコンを用いた不揮発性半導体メモリセル1は、論理回路を形成するCMOSトランジスタと同様なプロセスを用いて製造することができると共に、信頼性を向上することができる。これにより、不揮発性半導体メモリセル1を、SoC(System On Chip)製品などのロジック混載メモリとして容易に且つ安価に用いることが可能になる。   As described above in the first to fifth embodiments, the one-layer polysilicon is formed by using the layout of the memory cell array 21 of the third embodiment or the layout of the memory cell array 22 of the fourth embodiment. The nonvolatile semiconductor memory cell 1 used can be manufactured using a process similar to that of a CMOS transistor forming a logic circuit, and can improve reliability. Thereby, the nonvolatile semiconductor memory cell 1 can be used easily and inexpensively as a logic embedded memory such as a SoC (System On Chip) product.

なお、第5実施形態で示した不揮発性半導体メモリセル30を第3実施形態で示した不揮発性半導体メモリ装置150に用いてもよい。   Note that the nonvolatile semiconductor memory cell 30 shown in the fifth embodiment may be used in the nonvolatile semiconductor memory device 150 shown in the third embodiment.

第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルの回路構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of a nonvolatile semiconductor memory cell according to a first embodiment. 第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルの平面レイアウトを示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating a planar layout of a nonvolatile semiconductor memory cell according to a first embodiment. 第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルの断面構造を示す概略図である。1 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a nonvolatile semiconductor memory cell according to a first embodiment. 第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルの書き込み1、書き込み2、消去1、消去2及び読み出しの動作電圧を示す図である。It is a figure which shows the operation voltage of writing 1, writing 2, erasing 1, erasing 2 and reading of the nonvolatile semiconductor memory cell of the first embodiment. 第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルに対する書き込み禁止の動作電圧を示す図である。It is a figure which shows the write-protection operating voltage with respect to the non-volatile semiconductor memory cell of 1st Embodiment. 第1実施形態の不揮発性半導体メモリセルにおける静電容量のカップリングを示す概略図である。It is the schematic which shows the coupling of the electrostatic capacitance in the non-volatile semiconductor memory cell of 1st Embodiment. 第2実施形態の不揮発性半導体メモリセルのレイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the layout of the non-volatile semiconductor memory cell of 2nd Embodiment. 第3実施形態のメモリセルアレイの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the memory cell array of 3rd Embodiment. 第3実施形態のメモリセルアレイのレイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the layout of the memory cell array of 3rd Embodiment. 第3実施形態のメモリセルアレイそれぞれの動作における印加電圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the applied voltage in each operation | movement of the memory cell array of 3rd Embodiment. 第3実施形態のメモリセルアレイそれぞれの動作における印加電圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the applied voltage in each operation | movement of the memory cell array of 3rd Embodiment. 第3実施形態のメモリセルアレイそれぞれの動作における印加電圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the applied voltage in each operation | movement of the memory cell array of 3rd Embodiment. 第4実施形態の不揮発性半導体メモリ装置の構成を示した概略図である。It is the schematic which showed the structure of the non-volatile semiconductor memory device of 4th Embodiment. 第5実施形態のメモリセルアレイの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the memory cell array of 5th Embodiment. 第5実施形態のメモリセルアレイのレイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the layout of the memory cell array of 5th Embodiment. 第5実施形態のメモリセルアレイそれぞれの動作における印加電圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the applied voltage in each operation | movement of the memory cell array of 5th Embodiment. 第6実施形態の不揮発性半導体メモリセルのレイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the layout of the non-volatile semiconductor memory cell of 6th Embodiment. 第6実施形態のメモリセルアレイのレイアウトを示した概略図である。It is the schematic which showed the layout of the memory cell array of 6th Embodiment. 従来例における不揮発性半導体メモリセルを示す概略図である。It is the schematic which shows the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの動作電圧を示す図である。It is a figure which shows the operating voltage of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの静特性を示す図である。It is a figure which shows the static characteristic of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルのホットエレクトロンによる書き込み特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the write-in characteristic by the hot electron of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルのファウラーノルトハイムのトンネル効果による書き込み特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the write-in characteristic by the tunnel effect of Fowler-Nordheim of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの消去特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the erasing characteristic of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルのドレイン電流の特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the characteristic of the drain current of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの初期状態、書き込み状態及び消去状態におけるドレイン電流の特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the characteristic of the drain current in the initial state of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example, a writing state, and an erased state. 従来例における不揮発性半導体メモリセルのカップリング系の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the coupling type | system | group of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの電荷保持特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the electric charge retention characteristic of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example. 従来例における不揮発性半導体メモリセルの回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure of the non-volatile semiconductor memory cell in a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

Tr11、Tr14…選択トランジスタ
Tr12、Tr13…メモリ素子
1、20…不揮発性半導体メモリセル
21、22…メモリセルアレイ
150…不揮発性半導体メモリ装置
151…制御回路、152…列デコーダ・ドライバ、153…ドレイン電源回路
154…ゲートデコーダ・ドライバ、155…ゲート電源回路、156…センスアンプ回路
160…制御部
30…不揮発性半導体メモリセル
31…メモリセルアレイ
9…不揮発性半導体メモリセル
Tr9…メモリ素子
Tr11, Tr14 ... selection transistor Tr12, Tr13 ... Memory element 1, 20 ... Non-volatile semiconductor memory cell 21, 22 ... Memory cell array 150 ... Non-volatile semiconductor memory device 151 ... Control circuit, 152 ... Column decoder / driver, 153 ... Drain power supply Circuit 154: Gate decoder / driver, 155 ... Gate power supply circuit, 156 ... Sense amplifier circuit 160 ... Control unit 30 ... Non-volatile semiconductor memory cell 31 ... Memory cell array 9 ... Non-volatile semiconductor memory cell Tr9 ... Memory element

Claims (16)

半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる不揮発性半導体メモリセルであって、
ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子が接続された第1の選択トランジスタと、
ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、
ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、
ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタと
を有し、
前記第1の選択トランジスタのソースと前記第1のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、
前記第1のメモリ素子のソースと前記第2のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、
前記第2のメモリ素子のソースと前記第2の選択トランジスタのドレインとを構成するn型拡散層は共用される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリセル。
A nonvolatile semiconductor memory cell comprising a MOS transistor formed on a semiconductor substrate,
A first select transistor having a drain connected to a first terminal and a gate connected to a first select terminal;
A first memory element having a drain connected to a source of the first select transistor and a control gate connected to a control gate terminal;
A second memory element having a drain connected to a source of the first memory element and a control gate connected to the control gate terminal;
A second selection transistor having a drain connected to a source of the second memory element, a source connected to a second terminal, and a gate connected to a second select terminal;
The n-type diffusion layer constituting the source of the first selection transistor and the drain of the first memory element is shared,
The n-type diffusion layer constituting the source of the first memory element and the drain of the second memory element is shared,
A non-volatile semiconductor memory cell, wherein an n-type diffusion layer constituting a source of the second memory element and a drain of the second selection transistor is shared.
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子は、
1層のポリシリコンで形成されたフローティングゲート型のトランジスタである
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリセル。
The first memory element and the second memory element are:
The nonvolatile semiconductor memory cell according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory cell is a floating gate type transistor formed of a single layer of polysilicon.
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子は、
2層のポリシリコンで形成されたフローティングゲート型のトランジスタである
ことを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体メモリセル。
The first memory element and the second memory element are:
The nonvolatile semiconductor memory cell according to claim 2, wherein the nonvolatile semiconductor memory cell is a floating gate type transistor formed of two layers of polysilicon.
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子にデータを記憶させる場合、
前記第2の端子と前記半導体基板に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子に第1の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に前記第1の電圧以上の電圧を印加して前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにし、前記コントロールゲート端子に第2の電圧を印加し、
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのドレイン−ソース間に流れる電流によりホットエレクトロンを発生させ、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートに電子が注入され蓄積されるか、
あるいは、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第3の電圧を印加して前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにし、前記コントロールゲート端子に第4の電圧を印加し、
前記第1のメモリ素子のフローティングゲートからドレインに流れるファウラーノルトハイムのトンネル電流により、該フローティングゲートに電子が注入され蓄積されると共に、前記第2のメモリ素子のフローティングゲートからソースに流れるファウラーノルトハイムのトンネル電流により、該フローティングゲートに電子が注入され蓄積され、
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子が記憶するデータを消去する場合、
前記コントロールゲート端子に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子、前記第2の端子、及び前記半導体基板に前記第4の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第8の電圧を印加し、
前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記半導体基板から前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させるか、
あるいは、前記半導体基板及び前記コントロールゲート端子に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子及び前記第2の端子に第5の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に前記第8の電圧を印加し、
前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させ、
前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子に記憶されているデータを読み出す場合、
前記第2の端子及び前記半導体基板に印加する電位を基準電位としたとき、前記第1の端子に第6の電圧を印加し、前記第1のセレクト端子及び前記第2のセレクト端子に第7の電圧を印加し、前記コントロールゲート端子に読み出し電圧を印加し、
前記第1の端子と前記第2の端子との間に電流が流れるか否かで記憶されているデータを読み出す
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の不揮発性半導体メモリセル。
When storing data in the first memory element and the second memory element,
When a potential applied to the second terminal and the semiconductor substrate is a reference potential, a first voltage is applied to the first terminal, and the first select terminal and the second select terminal are subjected to the first voltage. Applying a voltage equal to or higher than 1 to turn on the first selection transistor and the second selection transistor, and applying a second voltage to the control gate terminal;
Hot electrons are generated by currents flowing between the drain and source of each of the first memory element and the second memory element, and electrons are injected into the floating gates of the first memory element and the second memory element, respectively. Or accumulated
Alternatively, a third voltage is applied to the first select terminal and the second select terminal to turn on the first select transistor and the second select transistor, and a fourth voltage is applied to the control gate terminal. Apply
The Fowler-Nordheim tunneling current flowing from the floating gate of the first memory element to the drain causes electrons to be injected and stored in the floating gate, and the Fowler-Nordheim flowing from the floating gate to the source of the second memory element. Tunneling current causes electrons to be injected and stored in the floating gate,
When erasing data stored in the first memory element and the second memory element,
When the potential applied to the control gate terminal is a reference potential, the fourth voltage is applied to the first terminal, the second terminal, and the semiconductor substrate, and the first select terminal and the second Apply the 8th voltage to the 2 select terminals,
The first selection transistor and the second selection transistor are turned on to pass a Fowler-Nordheim tunnel current from the semiconductor substrate to the floating gates of the first memory element and the second memory element, Emit electrons from the floating gate,
Alternatively, when a potential applied to the semiconductor substrate and the control gate terminal is a reference potential, a fifth voltage is applied to the first terminal and the second terminal, and the first select terminal and the first gate Applying the eighth voltage to the select terminals of 2;
Turning on the first selection transistor and the second selection transistor, and causing a Fowler-Nordheim tunnel current to flow from the drain of the first memory element and the source of the second memory element to the respective floating gates; Electrons are emitted from the floating gate,
When reading data stored in the first memory element and the second memory element,
When a potential applied to the second terminal and the semiconductor substrate is a reference potential, a sixth voltage is applied to the first terminal, and a seventh voltage is applied to the first select terminal and the second select terminal. And applying a read voltage to the control gate terminal,
3. The nonvolatile semiconductor memory cell according to claim 1, wherein stored data is read depending on whether or not a current flows between the first terminal and the second terminal. 4.
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルであって、
前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、
前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、
前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、
前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、
前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、
前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、
前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、
前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、
前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層と
が順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、
前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に、且つ、前記第2のポリシリコン及び前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、
前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線と
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリセル。
A first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, and a nonvolatile memory including a first selection transistor and a second selection transistor which are MOS transistors for selecting the memory element A conductive semiconductor memory cell,
A first n-type diffusion layer forming a drain of the first select transistor;
First polysilicon forming a gate electrode of the first select transistor;
A second n-type diffusion layer forming a source of the first select transistor and a drain of the first memory element;
A second polysilicon forming a floating gate electrode of the first memory element;
A third n-type diffusion layer forming a source of the first memory element and a drain of the second memory element;
A third polysilicon forming a floating gate electrode of the second memory element;
A fourth n-type diffusion layer forming a source of the second memory element and a drain of the second select transistor;
A fourth polysilicon forming a gate electrode of the second select transistor;
A transistor forming section in which a fifth n-type diffusion layer that forms a source of the second selection transistor is sequentially arranged in a series direction;
A sixth diffusion layer disposed in parallel with the transistor formation portion in the series direction and at a position intersecting the second polysilicon and the third polysilicon;
A non-volatile semiconductor memory cell comprising: the sixth diffusion layer and a first metal wiring arranged in the series direction connected via a contact.
前記第6の拡散層は、ウェル構造によるn型拡散層である
ことを特徴とする請求項5に記載の不揮発性半導体メモリセル。
The nonvolatile semiconductor memory cell according to claim 5, wherein the sixth diffusion layer is an n-type diffusion layer having a well structure.
前記第6の拡散層は、
p型半導体基板上に敷かれたn+型拡散層であるか、あるいは、
p型半導体基板上にディプリーションタイプのトランジスタを形成する際のチャネルインプラによるn型拡散層である
ことを特徴とする請求項5に記載の不揮発性半導体メモリセル。
The sixth diffusion layer includes
n + type diffusion layer laid on a p-type semiconductor substrate, or
The nonvolatile semiconductor memory cell according to claim 5, wherein the nonvolatile semiconductor memory cell is an n-type diffusion layer formed by channel implantation when a depletion type transistor is formed on a p-type semiconductor substrate.
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる複数の不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを備える不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記不揮発性半導体メモリセルは、
ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、
ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、
ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、
ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタと
を有すると共に、
前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、マトリックス状に配置され、
前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとにコントロールゲート線、ドレイン線及びソース線が設けられ、
それぞれの前記コントロールゲート線には、該コントロールゲート線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記コントロールゲート端子全てが共通接続され、
それぞれの前記ドレイン線には、該ドレイン線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記ドレイン端子全てが共通接続され、
それぞれの前記ソース線には、該ソース線が設けられた前記列の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記ソース端子全てが共通接続され、
前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線が設けられ、
前記第1のセレクトゲート線には、該第1のセレクトゲート線が設けられた前記行の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のセレクトゲート端子全てが共通接続され、
前記第2のセレクトゲート線には、該第2のセレクトゲート線が設けられた前記行の前記不揮発性半導体メモリセルが有する前記第2のセレクトゲート端子全てが共通接続される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
A nonvolatile semiconductor memory device comprising a memory cell array in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory cells made of MOS transistors formed on a semiconductor substrate are arranged,
The nonvolatile semiconductor memory cell is
A first select transistor having a drain connected to the first terminal and a gate connected to the first select terminal;
A first memory element having a drain connected to a source of the first select transistor and a control gate connected to a control gate terminal;
A second memory element having a drain connected to a source of the first memory element and a control gate connected to the control gate terminal;
A second select transistor having a drain connected to a source of the second memory element, a source connected to a second terminal, and a gate connected to a second select terminal.
The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix,
A control gate line, a drain line and a source line are provided for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in the matrix,
All of the control gate terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the control gate line are commonly connected to each of the control gate lines,
All the drain terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the drain line are commonly connected to the drain lines.
All of the source terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the column provided with the source line are commonly connected to each of the source lines,
A first select gate line and a second select gate line are provided for each row of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in the matrix;
All of the first select gate terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells of the row in which the first select gate line is provided are commonly connected to the first select gate line,
All of the second select gate terminals of the nonvolatile semiconductor memory cells in the row in which the second select gate line is provided are commonly connected to the second select gate line. Nonvolatile semiconductor memory device.
前記半導体基板に印加する電圧を基準電圧として、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルにデータの書き込みを行う場合、
該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に第4の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第3の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、
前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子のフローティングゲートから前記半導体基板へファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートに電子が注入されて蓄積され、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルのデータの消去を行う場合、
当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第8の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に第5の電圧を印加し、
前記第1の選択トランジスタ及び前記第2の選択トランジスタをオンにして、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのフローティングゲートへファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させ、
選択された不揮発性半導体メモリセルが記憶するデータを読み出す場合、
該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に第6の電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、当該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第7の電圧を印加し、
該不揮発性半導体メモリセルに電流が流れるか否かで記憶されているデータを検出し、
選択された前記行を構成する前記不揮発性半導体メモリセルに対して同時に書き込みを行うページ書き込みを行う場合、
前記列ごとの前記コントロールゲート線全てに前記第4の電圧を印加し、前記選択された前記行に接続される前記第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線に前記第3の電圧を印加し、該列に接続される前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、
該列を構成する前記不揮発性半導体メモリセルそれぞれの前記第1のメモリセル及び前記第2のメモリセルのフローティングゲートから前記半導体基板へファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートに電子が注入されて蓄積され、
選択された前記行を構成する前記不揮発性半導体メモリセルに対して同時に消去を行うページ消去を行う場合、
前記列ごとに設けられる前記コントロールゲート線全てに対して0Vの電圧を印加し、前記列ごとに設けられる全ての前記ドレイン線及び全ての前記ソース線に前記第5の電圧を印加し、選択された前記行に設けられる前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第8の電圧を印加し、
該列を構成する前記不揮発性半導体メモリセルそれぞれが有する前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソース近傍に高電界を加えて、該メモリ素子のフローティングゲートにファウラーノルトハイムのトンネル電流を流し、該フローティングゲートから電子を放出させる
ことを特徴とする請求項8に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The voltage applied to the semiconductor substrate as a reference voltage,
When writing data to the selected nonvolatile semiconductor memory cell,
A fourth voltage is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and a first voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. 3 is applied, and a voltage of 0 V is applied to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell,
The first selection transistor and the second selection transistor are turned on, and a Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow from the floating gates of the first memory element and the second memory element to the semiconductor substrate. Electrons are injected into the gate and accumulated,
When erasing data of the selected nonvolatile semiconductor memory cell,
A voltage of 0 V is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and an eighth voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. And applying a fifth voltage to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell,
Turning on the first selection transistor and the second selection transistor, and causing a Fowler-Nordheim tunnel current to flow from the drain of the first memory element and the source of the second memory element to the respective floating gates; Electrons are emitted from the floating gate,
When reading data stored in the selected nonvolatile semiconductor memory cell,
A voltage of 0 V is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, a sixth voltage is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the nonvolatile semiconductor memory cell A voltage of 0 V is applied to the source line connected to the non-volatile semiconductor memory cell, a seventh voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell;
Detects data stored depending on whether or not current flows in the nonvolatile semiconductor memory cell,
When performing page writing for simultaneously writing to the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the selected row,
The fourth voltage is applied to all the control gate lines for each column, and the third voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected row. Applying a voltage of 0 V to the drain line and the source line connected to the column;
Fowler-Nordheim tunnel current is caused to flow from the floating gates of the first and second memory cells of the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the column to the semiconductor substrate, and electrons are injected into the floating gates. Has been accumulated,
When performing page erasure to simultaneously erase the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the selected row,
A voltage of 0 V is applied to all the control gate lines provided for each column, and the fifth voltage is applied to all the drain lines and all the source lines provided for each column. Applying the eighth voltage to the first select gate line and the second select gate line provided in the row;
A high electric field is applied in the vicinity of the drain of the first memory element and the source of the second memory element of each of the nonvolatile semiconductor memory cells constituting the column, and Fowler-Nordheim's floating gate is applied to the floating gate of the memory element. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein a tunnel current is allowed to flow and electrons are emitted from the floating gate.
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して該不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子の閾値電圧が予め設定された書き込み状態の閾値電圧以上に変化しているかベリファイを行う場合、
該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に前記第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第6の電圧より高い前記第7の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続されたコントロールゲート線に電圧を印加して、当該不揮発性半導体メモリセルに電流が流れたか否かで閾値電圧を検出する
ことを特徴とする請求項9に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
With respect to the selected nonvolatile semiconductor memory cell, the threshold voltage of the first memory element and the second memory element included in the nonvolatile semiconductor memory cell is changed to be equal to or higher than a threshold voltage of a preset write state. If you are verifying
The sixth voltage is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the first select gate line and the second select gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell are applied to the first select gate line and the second select gate line, respectively. Applying the seventh voltage higher than the sixth voltage, applying a voltage to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and determining whether or not a current flows through the nonvolatile semiconductor memory cell The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein the voltage is detected.
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルを複数配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記不揮発性半導体メモリセルは、
前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、
前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、
前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、
前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、
前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、
前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、
前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、
前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、
前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層と
が順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、
前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に配置され、且つ、前記第2のポリシリコン及び前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、
前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線と
を備えると共に、
前記メモリセルアレイの配置として、
前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、マトリックス状に並べられて配置され、
前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、それぞれ、前記直列方向に隣接する一方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第1のn型拡散層を共用し、更に、隣接する他方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第5のn型拡散層を共用し、
前記直列方向に平行に配置された前記メモリ素子は、前記第1のメタル配線が直線状に共通接続され、前記第1のn型拡散層がコンタクトを介してドレイン線に共通接続され、前記第5のn型拡散層がコンタクトを介してソース線に共通接続され、
前記直列方向に対して垂直方向に平行に配置された前記メモリ素子は、該垂直方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のポリシリコン及び前記第4のポリシリコンそれぞれが共通接続される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
A first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, and a non-volatile memory composed of a first selection transistor and a second selection transistor which are MOS transistors for selecting the memory element A nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of conductive semiconductor memory cells are arranged,
The nonvolatile semiconductor memory cell is
A first n-type diffusion layer forming a drain of the first select transistor;
First polysilicon forming a gate electrode of the first select transistor;
A second n-type diffusion layer forming a source of the first select transistor and a drain of the first memory element;
A second polysilicon forming a floating gate electrode of the first memory element;
A third n-type diffusion layer forming a source of the first memory element and a drain of the second memory element;
A third polysilicon forming a floating gate electrode of the second memory element;
A fourth n-type diffusion layer forming a source of the second memory element and a drain of the second select transistor;
A fourth polysilicon forming a gate electrode of the second select transistor;
A transistor forming section in which a fifth n-type diffusion layer that forms a source of the second selection transistor is sequentially arranged in a series direction;
A sixth diffusion layer disposed in the series direction in parallel with the transistor formation portion and disposed at a position intersecting with the second polysilicon and the third polysilicon;
A first metal wiring arranged in the series direction connected to the sixth diffusion layer through a contact; and
As an arrangement of the memory cell array,
The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix,
Each of the plurality of nonvolatile semiconductor memory cells shares the first n-type diffusion layer with one of the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the series direction, and the other adjacent nonvolatile semiconductor memory Sharing the cell and the fifth n-type diffusion layer;
In the memory elements arranged in parallel in the series direction, the first metal wiring is commonly connected in a straight line, the first n-type diffusion layer is commonly connected to a drain line through a contact, and the first 5 n-type diffusion layers are commonly connected to the source line via the contacts,
In the memory elements arranged in parallel to the series direction in the vertical direction, the first polysilicon and the fourth polysilicon of the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the vertical direction are commonly connected. A non-volatile semiconductor memory device.
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる複数の不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、
ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、
ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートにコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、
ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに前記コントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、
ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタと
を有し、
前記メモリセルアレイは、
前記不揮発性半導体メモリセルが行方向及び列方向にマトリックス状に配置され、
前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記コントロールゲートに共通接続されたコントロールゲート線と、
前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記ドレイン端子と共通接続されたドレイン線と、
前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記ソース端子と共通接続されたソース線と、
前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに前記第1のセレクトゲート端子に接続された第1のセレクトゲート線と、
前記不揮発性半導体メモリセルの行ごとに前記第2のセレクトゲート端子に接続された第2のセレクトゲート線と
を有し、
前記ドレイン線とドレイン電源線との間に設けられた第1のスイッチと、
前記ソース線とソース電源線との間に設けられた第2のスイッチと、
前記コントロールゲート線と第1のゲート電源線との間に設けられた第3のスイッチと、
前記コントロールゲート線と第2のゲート電源線との間に設けられた第4のスイッチと、
前記メモリセルアレイに含まれる前記不揮発性半導体メモリセルを選択するアドレス信号と、書き込み、消去及び読み出しのいずれかの動作を示す命令信号とが入力され、入力された前記アドレス信号と前記命令信号とに基づいて、前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ及び前記第4のスイッチ、前記第1のゲート電源線、前記第2のゲート電源線、前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に電圧を印加して、前記アドレス信号で選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して前記命令信号に対応した動作を行う制御部と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of non-volatile semiconductor memory cells made of MOS transistors formed on a semiconductor substrate are arranged,
The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells include:
A first select transistor having a drain connected to the first terminal and a gate connected to the first select terminal;
A first memory element having a drain connected to a source of the first select transistor and a control gate connected to a control gate terminal;
A second memory element having a drain connected to a source of the first memory element and a control gate connected to the control gate terminal;
A second selection transistor having a drain connected to a source of the second memory element, a source connected to a second terminal, and a gate connected to a second select terminal;
The memory cell array includes:
The nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix in a row direction and a column direction,
A control gate line commonly connected to the control gate for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells;
A drain line commonly connected to the drain terminal for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells;
A source line commonly connected to the source terminal for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells;
A first select gate line connected to the first select gate terminal for each row of the nonvolatile semiconductor memory cells;
A second select gate line connected to the second select gate terminal for each row of the nonvolatile semiconductor memory cells;
A first switch provided between the drain line and the drain power supply line;
A second switch provided between the source line and the source power line;
A third switch provided between the control gate line and the first gate power supply line;
A fourth switch provided between the control gate line and a second gate power supply line;
An address signal for selecting the nonvolatile semiconductor memory cell included in the memory cell array and a command signal indicating any one of write, erase, and read operations are input, and the input address signal and the command signal are input Based on the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switch, the first gate power supply line, the second gate power supply line, and the first select gate line. And a controller that applies a voltage to the second select gate line and performs an operation corresponding to the command signal on the nonvolatile semiconductor memory cell selected by the address signal;
A non-volatile semiconductor memory device comprising:
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタからなる不揮発性半導体メモリセルであって、
ドレインに第1の端子が接続され、ゲートに第1のセレクト端子に接続された第1の選択トランジスタと、
ドレインに前記第1の選択トランジスタのソースが接続され、コントロールゲートに第1のコントロールゲート端子が接続された第1のメモリ素子と、
ドレインに前記第1のメモリ素子のソースが接続され、コントロールゲートに第2のコントロールゲート端子が接続された第2のメモリ素子と、
ドレインに前記第2のメモリ素子のソースが接続され、ソースに第2の端子が接続され、ゲートに第2のセレクト端子が接続された第2の選択トランジスタと
を有し、
前記第1の選択トランジスタのソースと前記第1のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、
前記第1のメモリ素子のソースと前記第2のメモリ素子のドレインとを構成するn型拡散層は共用され、
前記第2のメモリ素子のソースと前記第2の選択トランジスタのドレインとを構成するn型拡散層は共用される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリセル。
A nonvolatile semiconductor memory cell comprising a MOS transistor formed on a semiconductor substrate,
A first select transistor having a drain connected to the first terminal and a gate connected to the first select terminal;
A first memory element having a drain connected to a source of the first select transistor and a control gate connected to a first control gate terminal;
A second memory element having a drain connected to a source of the first memory element and a control gate connected to a second control gate terminal;
A second selection transistor having a drain connected to a source of the second memory element, a source connected to a second terminal, and a gate connected to a second select terminal;
The n-type diffusion layer constituting the source of the first selection transistor and the drain of the first memory element is shared,
The n-type diffusion layer constituting the source of the first memory element and the drain of the second memory element is shared,
A non-volatile semiconductor memory cell, wherein an n-type diffusion layer constituting a source of the second memory element and a drain of the second selection transistor is shared.
請求項13に記載の不揮発性半導体メモリセルを複数用いたメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記メモリセルアレイは、
行方向及び列方向のマトリックス状に配置された複数の前記不揮発性半導体メモリセルと、
前記マトリックス状に配置された前記不揮発性半導体メモリセルの列ごとに前記第1のコントロールゲート端子に共通接続されたコントロールゲート線と、
前記マトリックス状に配置された列ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記ドレイン端子と共通接続されたドレイン線と、
前記マトリックス状に配置された列ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記ソース端子と共通接続されたソース線と、
前記マトリックス状に配置された行ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のセレクトゲート端子と共通接続された第1のセレクトゲート線と、
前記マトリックス状に配置された行ごとに、前記不揮発性半導体メモリセルの前記第2のセレクトゲート端子と共通接続された第2のセレクトゲート線と、
を有し、
前記ドレイン線とドレイン電源線との間に設けられた第1のスイッチと、
前記ソース線とソース電源線との間に設けられた第2のスイッチと、
前記コントロールゲート線と第1のゲート電源線との間に設けられた第3のスイッチと、
前記コントロールゲート線と第2のゲート電源線との間に設けられた第4のスイッチと、
前記メモリセルアレイに含まれる前記不揮発性半導体メモリセルを選択するアドレス信号と、書き込み、消去及び読み出しのいずれかの動作を示す命令信号とが入力され、入力された前記アドレス信号及び前記命令信号に基づいて前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ及び前記第4のスイッチ、前記第1のゲート電源線、前記第2のゲート電源線、前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に電圧を印加して、前記アドレス信号で選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して前記命令信号に対応した動作を行う制御部と、
を有し、
前記行方向に隣接した前記不揮発性半導体メモリセルは、互いに前記コントロールゲート線を共有し、前記複数の不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のコントロールゲート端子と前記第2のコントロールゲート端子とは、互いに異なる前記コントロールゲート線に接続される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array using a plurality of non-volatile semiconductor memory cells according to claim 13,
The memory cell array includes:
A plurality of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in a matrix in a row direction and a column direction;
A control gate line commonly connected to the first control gate terminal for each column of the nonvolatile semiconductor memory cells arranged in a matrix;
For each column arranged in a matrix, a drain line commonly connected to the drain terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell;
For each column arranged in a matrix, a source line commonly connected to the source terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell;
A first select gate line commonly connected to the first select gate terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell for each row arranged in a matrix;
A second select gate line commonly connected to the second select gate terminal of the nonvolatile semiconductor memory cell for each row arranged in a matrix;
Have
A first switch provided between the drain line and the drain power supply line;
A second switch provided between the source line and the source power line;
A third switch provided between the control gate line and the first gate power supply line;
A fourth switch provided between the control gate line and a second gate power supply line;
An address signal for selecting the nonvolatile semiconductor memory cell included in the memory cell array and a command signal indicating any one of write, erase and read operations are input, and based on the input address signal and the command signal The first switch, the second switch, the third switch, and the fourth switch, the first gate power supply line, the second gate power supply line, the first select gate line, and the A controller that applies a voltage to a second select gate line and performs an operation corresponding to the command signal on the nonvolatile semiconductor memory cell selected by the address signal;
Have
The nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the row direction share the control gate line with each other, and the first control gate terminal and the second control gate terminal included in the plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are The nonvolatile semiconductor memory device is connected to the control gate lines different from each other.
前記半導体基板に印加する電圧を基準電圧とし、
書き込みの動作を行う場合、前記制御部は、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第1の電圧を印加し、
該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vの電圧を印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルと前記コントロールゲートを共用する前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線と、前記第2のセレクトゲート線とを近傍セレクトゲート線とし、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線と、前記近傍セレクトゲート線とに前記第1の電圧を印加し、
予め定めた時間が経過後に前記近傍セレクトゲート線に印加する電圧を0Vに変更し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に第4の電圧を印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子のドレイン付近及び前記第2のメモリ素子のソース付近に高電界を加え、前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのコントロールゲートから前記半導体基板にファウラーノルトハイムのトンネル電流を発生させ、該メモリ素子それぞれのフローティングゲートに電子が注入されて蓄積されると共に、隣接する列の前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子それぞれのフローティングゲートには、カップリングにより電位を上げて加えられる電界を緩和し、誤書き込みを防ぎ、
消去の動作を行う場合、前記制御部は、
選択された不揮発性半導体メモリセルに接続された2つの前記コントロールゲート線に0Vの電圧を印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に第8の電圧を印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線及び前記ソース線に第5の電圧を印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメモリ素子のドレイン付近及び前記第2のメモリ素子のソース付近に高電界を加え、前記第1のメモリ素子のドレイン及び前記第2のメモリ素子のソースからそれぞれのコントロールゲートにファウラーノルトハイムのトンネル電流を発生させ、該メモリ素子それぞれのフローティングゲートから電子を放出させ、
読み出しの動作を行う場合、前記制御部は、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び第2のセレクトゲート線に第7の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルに接続された前記コントロールゲート線に前記第6の電圧を印加し、該不揮発性半導体メモリセルと前記コントロールゲート線を共用する前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線、前記第2のセレクトゲート線、前記ドレイン線及び前記ソース線に0Vを印加し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに電流が流れるか否かで記憶されているデータを読み出し、
選択された前記不揮発性半導体メモリセルに対して該不揮発性半導体メモリセルが有する前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子の閾値電圧が予め設定された書き込み状態の閾値電圧以上に変化しているかベリファイの動作を行う場合、前記制御部は、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート線及び前記第2のセレクトゲート線に前記第7の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ドレイン線に前記第6の電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記ソース線に0Vの電圧を印加し、選択された前記不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のメモリ素子及び前記第2のメモリ素子のいずれか一方のメモリ素子にデータ読み出し時に印加する電圧より高い前記第1の電圧を印加し、他方のメモリ素子に閾値電圧を確認するための電圧を印加し、
選択された不揮発性半導体メモリセルに接続された前記第1のセレクトゲート及び前記第2のセレクトゲートをオンにし、前記一方のメモリ素子をオンにし、前記他方のメモリ素子がオンになるか否かを流れる電流により検出する
ことを特徴とする請求項14に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The voltage applied to the semiconductor substrate is a reference voltage,
When performing a write operation, the control unit
Applying a first voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell;
A voltage of 0 V is applied to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell;
The first select gate line connected to the non-volatile semiconductor memory cell sharing the control gate with the selected non-volatile semiconductor memory cell and the second select gate line are used as neighboring select gate lines, Applying the first voltage to the drain line and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the neighboring select gate line;
The voltage applied to the neighboring select gate line after a predetermined time has elapsed is changed to 0V,
Applying a fourth voltage to the control gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell;
A high electric field is applied to the vicinity of the drain of the first memory element and the source of the second memory element of the selected non-volatile semiconductor memory cell, and the first memory element and the second memory element are respectively A Fowler-Nordheim tunnel current is generated from the control gate to the semiconductor substrate, electrons are injected and stored in the floating gate of each of the memory elements, and the first semiconductor memory cell in the adjacent column is stored. The floating gate of each of the memory element and the second memory element relaxes the electric field applied by raising the potential by coupling, preventing erroneous writing,
When performing the erasing operation, the control unit
A voltage of 0 V is applied to the two control gate lines connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell;
Applying an eighth voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell;
Applying a fifth voltage to the drain line and the source line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell;
A high electric field is applied near the drain of the first memory element and near the source of the second memory element of the selected nonvolatile semiconductor memory cell, and the drain of the first memory element and the second memory element A Fowler-Nordheim tunneling current is generated from each source to each control gate, and electrons are emitted from each floating gate of the memory element,
When performing a read operation, the control unit
A seventh voltage is applied to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell, and the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell is applied to the drain line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. A sixth voltage is applied, a voltage of 0 V is applied to the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell, and the sixth voltage is applied to the control gate line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell. The first select gate line, the second select gate line, the drain line, and the source line connected to the nonvolatile semiconductor memory cell that are applied and share the control gate line with the nonvolatile semiconductor memory cell 0V is applied to
Reading stored data depending on whether or not current flows through the selected nonvolatile semiconductor memory cell,
For the selected nonvolatile semiconductor memory cell, the threshold voltage of the first memory element and the second memory element included in the nonvolatile semiconductor memory cell changes to a threshold voltage of a preset write state or more. When the verify operation is performed, the control unit applies the seventh voltage to the first select gate line and the second select gate line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. The sixth voltage is applied to the drain line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell, and the voltage of 0 V is applied to the source line connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. Then, data is stored in one of the first memory element and the second memory element connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell. High first voltage than the voltage applied is applied at the time of reading, a voltage for verifying the threshold voltage is applied to the other memory elements,
Whether the first select gate and the second select gate connected to the selected nonvolatile semiconductor memory cell are turned on, the one memory element is turned on, and the other memory element is turned on The non-volatile semiconductor memory device according to claim 14, wherein the non-volatile semiconductor memory device is detected by a current flowing through the non-volatile semiconductor memory.
半導体基板上に形成されるMOSトランジスタである第1のメモリ素子及び第2のメモリ素子と、該メモリ素子を選択するMOSトランジスタである第1の選択トランジスタ、第2の選択トランジスタから構成される不揮発性半導体メモリセルを配置したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記第1の選択トランジスタのドレインを形成する第1のn型拡散層と、
前記第1の選択トランジスタのゲート電極を形成する第1のポリシリコンと、
前記第1の選択トランジスタのソース及び前記第1のメモリ素子のドレインを形成する第2のn型拡散層と、
前記第1のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第2のポリシリコンと、
前記第1のメモリ素子のソース及び前記第2のメモリ素子のドレインを形成する第3のn型拡散層と、
前記第2のメモリ素子のフローティングゲート電極を形成する第3のポリシリコンと、
前記第2のメモリ素子のソース及び前記第2の選択トランジスタのドレインを形成する第4のn型拡散層と、
前記第2の選択トランジスタのゲート電極を形成する第4のポリシリコンと、
前記第2の選択トランジスタのソースを形成する第5のn型拡散層と
が順に直列方向に配置されたトランジスタ形成部と、
前記トランジスタ形成部と平行に前記直列方向に、且つ、前記第2のポリシリコンと交差する位置に配置された第6の拡散層と、
前記トランジスタ形成部と平行に、且つ、前記トランジスタ形成部に対して前記第6のn型拡散層と反対側に前記直列方向に、且つ、前記第3のポリシリコンと交差する位置に配置された第7の拡散層と、
前記第6の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第1のメタル配線と、
前記第7の拡散層とコンタクトを介して接続された前記直列方向に配置された第2のメタル配線と
を備えると共に、
前記メモリセルアレイの配置として、
前記複数の不揮発性半導体メモリセルは、行方向及び列方向にマトリックス状に並べられて配置され、
前記不揮発性半導体メモリセルは、それぞれ、前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルと前記直列方向に垂直な方向に対して対称に配置され、隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの一方と前記第1のn型拡散層を共用し、隣接する他方の前記不揮発性半導体メモリセルと前記第5のn型拡散層を共用し、
前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第6の拡散層及び前記第7の拡散層は接続され、
前記直列方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルの前記第1のメタル配線及び前記第2のメタル配線は接続され、
また、前記不揮発性半導体メモリセルは、前記直列方向の垂直な方向に隣接する前記不揮発性半導体メモリセルと、前記第6の拡散層、前記第1のメタル配線、前記第7の拡散層及び前記第2のメタル配線を共用し、前記第1のポリシリコン及び前記第4のポリシリコンが接続され、
更に、前記不揮発性半導体メモリセルは、前記列ごとに、前記第1のn型拡散層がコンタクトを介してドレイン線と共通接続され、前記第5のn型拡散層がコンタクトを介してソース線と共通接続される
ことを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。
A first memory element and a second memory element which are MOS transistors formed on a semiconductor substrate, and a non-volatile memory composed of a first selection transistor and a second selection transistor which are MOS transistors for selecting the memory element A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which conductive semiconductor memory cells are arranged,
A first n-type diffusion layer forming a drain of the first select transistor;
First polysilicon forming a gate electrode of the first select transistor;
A second n-type diffusion layer forming a source of the first select transistor and a drain of the first memory element;
A second polysilicon forming a floating gate electrode of the first memory element;
A third n-type diffusion layer forming a source of the first memory element and a drain of the second memory element;
A third polysilicon forming a floating gate electrode of the second memory element;
A fourth n-type diffusion layer forming a source of the second memory element and a drain of the second select transistor;
A fourth polysilicon forming a gate electrode of the second select transistor;
A transistor forming section in which a fifth n-type diffusion layer that forms a source of the second selection transistor is sequentially arranged in a series direction;
A sixth diffusion layer disposed in parallel with the transistor formation portion in the series direction and at a position intersecting with the second polysilicon;
In parallel with the transistor formation portion, in the series direction on the opposite side of the sixth n-type diffusion layer with respect to the transistor formation portion, and disposed at a position intersecting with the third polysilicon. A seventh diffusion layer;
A first metal wiring arranged in the series direction connected to the sixth diffusion layer through a contact;
A second metal wiring arranged in the series direction connected to the seventh diffusion layer through a contact; and
As an arrangement of the memory cell array,
The plurality of nonvolatile semiconductor memory cells are arranged in a matrix in the row direction and the column direction,
The nonvolatile semiconductor memory cells are arranged symmetrically with respect to a direction perpendicular to the series direction and the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the series direction, and one of the adjacent nonvolatile semiconductor memory cells and the Sharing the first n-type diffusion layer, sharing the fifth n-type diffusion layer with the other non-volatile semiconductor memory cell adjacent thereto,
The sixth diffusion layer and the seventh diffusion layer of the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the series direction are connected,
The first metal wiring and the second metal wiring of the nonvolatile semiconductor memory cells adjacent in the series direction are connected,
The nonvolatile semiconductor memory cell includes the nonvolatile semiconductor memory cell adjacent in the direction perpendicular to the series direction, the sixth diffusion layer, the first metal wiring, the seventh diffusion layer, and the Sharing the second metal wiring, the first polysilicon and the fourth polysilicon are connected,
Further, in the nonvolatile semiconductor memory cell, for each column, the first n-type diffusion layer is commonly connected to a drain line through a contact, and the fifth n-type diffusion layer is connected to a source line through the contact. And a non-volatile semiconductor memory device.
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